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《由石墨烯包裹的纳米晶体设计的新燃料电池设计》

  • 来源专题：纳米科技
  • 编译者： chenfang
  • 发布时间：2016-03-24

  • 氢是地球上最轻和最丰富的元素。因此，科学家们正在追求氢气作为一种清洁无碳的用途，从便携式发电机到电信塔涉及方方面面，使其成为燃烧的唯一的副产品。薄片的氧化石墨烯（红片）有天然的，原子尺度存在一定的缺陷，当氢气体分子穿过物体，将会阻断较大的分子，如氧和水。伯克利实验室的研究人员将纳米级的镁晶体（黄）和氧化石墨烯片封装在金属氢化物燃料电池的新配方中，并观察可能出现的情况。

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    • 编译者：yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间：2017-09-20
    • 一项新的研究解释了一层超薄的氧化物层(以红色表示的氧原子)涂层石墨化镁纳米颗粒(橙色)仍然允许氢原子(蓝色)的氢存储应用。(来源:伯克利实验室) 由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)开发的一种金属纳米晶体混合在一起的金属纳米晶体，显示了安全储存氢用于乘用车和其他用途的燃料电池的承诺。现在，一项新的研究提供了对晶体超薄涂层的原子细节的深入了解，以及它如何作为选择性的屏蔽，同时提高了它们在氢储存方面的性能。 这项由伯克利实验室的研究人员领导的研究，利用了一系列的实验室技术和能力来合成和涂层镁晶体，这些晶体的尺寸仅为3-4纳米(一米的十亿分之一米);用x射线研究他们的纳米级化学成分;并开发计算机模拟和支持理论，以更好地了解晶体和它们的碳涂层是如何相互作用的。 科学研究小组的发现可以帮助研究人员理解类似的涂料也能提高其他材料的性能和稳定性，而这些材料对氢存储应用的前景是有希望的。这个研究项目是一个多实验室的研究成果之一，它是由美国能源部燃料电池技术办公室在能效和可再生能源办公室的能源材料网络中建立的氢材料高级研究联盟(HyMARC)的一部分。 减少石墨烯氧化物(或rGO)，它类似于更著名的石墨烯(一种扩展的碳原子，只有一种原子厚，排列在蜂窝模式中)，它有纳米级的孔，可以让氢通过，同时保持较大的分子。 这种碳包装的目的是为了防止镁——它被用作一种氢储存材料——与它的环境发生反应，包括氧气、水蒸气和二氧化碳。这样的接触可能会产生一层厚厚的氧化层，从而阻止进入的氢进入镁表面。 但最新的研究表明，在晶体的制备过程中，一层原子层的氧化层形成了。更令人惊讶的是，这个氧化物层似乎并没有降低材料的性能。 “以前，我们认为这些材料得到了很好的保护，”Liwen Wan说，他是伯克利实验室的分子铸造公司的博士后研究人员，他是美国能源部的纳米科学研究中心，他是这项研究的主要作者。这项研究发表在纳米快报杂志上。“从我们的详细分析中，我们看到了一些氧化的证据。” 万还补充说:“大多数人会怀疑氧化层对储存氢气来说是个坏消息，在这种情况下，事实可能并非如此。如果没有氧化层，减少的石墨烯氧化物与镁的相互作用就会很弱，但是在氧化层中，碳镁的结合似乎更强。 她说:“这是一种好处，它最终能增强碳涂层所提供的保护。”“似乎没有任何负面影响。” David Prendergast是分子铸造理论中心的主任，也是该研究的参与者。他指出，目前的氢燃料汽车使用压缩氢气来驱动燃料电池引擎。他说:“这需要笨重的圆柱形坦克来限制这种汽车的行驶效率。”他还说，纳米晶体提供了一种可能性，即通过将氢储存在其他材料中，来消除这些笨重的坦克。 这项研究也证明了薄层的氧化层并不一定会阻碍这种材料吸收氢气的速度，这在你需要快速补充燃料的时候是很重要的。这一发现也出乎人们的意料，因为传统的理解是，在这些储氢材料中，通常会起到阻止作用的作用。 这意味着在燃料储存和供应环境中包裹的纳米晶体，在相同的压力下，能够以比可能的密度高得多的密度在压缩氢气燃料罐中吸收泵入的氢气。 想要解释这些实验数据的模型表明，在晶体周围形成的氧化层在原子层上是很薄的，并且随着时间的推移而稳定，这表明氧化过程没有进展。 这一分析的部分原因是在伯克利实验室的高级光源(ALS)的实验中进行的，这是一种叫做同步加速器的x射线源，早期用于探索纳米晶体如何实时与氢气相互作用。 万说，这项研究的一个关键是通过模拟对氧化层假设的原子模型的x射线测量来解释ALS x射线的数据，然后选择那些最符合数据的模型。她说:“从那时候我们就知道了这些材料到底是什么样子的。” 万说，虽然许多模拟都是基于非常纯净的材料，表面有干净的表面，但在这种情况下，模拟的目的是更能代表纳米晶体的真实世界的不完美。 下一步，在实验和模拟中，都是使用更理想的材料，用于真实的氢存储应用，万说，比如复杂的金属氢化物(氢金属化合物)，这些材料也会被包裹在石墨烯的保护层中。 万说:“通过使用复杂的金属氢化物，你可以从本质上获得更高的储氢能力，我们的目标是在合理的温度和压力下实现氢气的吸收和释放。” 这些复杂的金属氢化物材料是相当耗时的，而且研究小组计划在伯克利实验室的国家能源研究科学计算中心(NERSC)使用超级计算机进行这项工作。 万说:“既然我们对镁纳米晶体有了很好的了解，我们就知道我们可以将这种能力转移到其他材料上，以加速发现过程。” 先进的光源、分子铸造和国家能源研究科学计算中心是能源部的科学用户机构。 这项工作得到了美国能源部能源效率办公室和可再生能源燃料电池技术办公室的支持。 劳伦斯伯克利国家实验室通过推进可持续能源、保护人类健康、创造新材料、揭示宇宙的起源和命运，解决了世界上最紧迫的科学挑战。成立于1931年的伯克利实验室的科学专家已经获得了13个诺贝尔奖。加州大学为美国能源部的科学办公室管理伯克利实验室。 ——2017年9月14日
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  • 《石墨烯国外行业动态：富士通制出全球热导最好的碳纳米管板/不会开裂的石墨烯基晶体管问世/石墨烯纳米发电机实现高效无线传输》
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    • 1.最锋利的石墨烯纳米“镊子”成功制备，可高效捕获生物分子 明尼苏达大学科学与工程学院的研究人员用石墨烯材料制成了微小的电子“镊子”，它能以极高的效率抓住漂浮在水中的生物分子，比以往所有技术都有效，它的出现可能会给手持式疾病诊断系统带来革命性发展。 “镊子”其实是一种探针，通过介电电泳进行分子捕获。石墨烯片厚度薄，它的边缘是最锐利的探针，可解决以往金属电极太钝的问题。所以研究人员将薄的二氧化铪绝缘材料夹在金属电极和石墨烯之间，创建夹层结构的石墨烯镊子。这种原子镊子可以用来捕获、感知和释放生物分子，对于医疗诊断来说具有巨大的潜力。 2.世界上热导性最好的碳纳米管板问世 富士通实验室成功研制出具有世界顶级散热能力的高热导率碳纳米管板这种板材由垂直定向的纯碳纳米管组成，具有优秀的热导率和耐热性。 实验室研究人员通过精确控制操作温度和压力，使碳纳米管在垂直方向进行密集均匀的排列生长，并在2000摄氏度以上的温度下进行热处理的板成型，利用这些技术制造出的散热片的散热性能是目前使用铟材料的三倍，具有世界上最好的散热性能。 3.新型石墨烯异质结制作方法 异质结是构成微电子器件的基本构件，在硅的基础上已经发展到极限。现在，研究人员研发出一种新的异质结合成方法，并用纳米带石墨烯条带成功制得微纳米尺度精确性极佳的异质结，实现了原子级别的控制合成。 异质结的形成依赖于两种不同分子的前聚体，分子的前聚体会产生两个相应的纳米带，这些纳米带会与衬底表面的随机点连接在一起。研究人员结合石墨烯生长自下而上的特点，开发了一种可以对前聚体完全控制的方法来得到精确结构的异质结。但是合成过程需要超高真空和高温条件以及金质基底，所以这种方法暂时只在实验室阶段。 4.石墨烯复合材料新发现——可实现无线传输能量和信号 最新美国Clemson大学的研究人员研发出摩擦纳米发电机，这种电机不仅可利用环境中的废弃机械能，还可以无线传输能量和信号。这种由新型石墨烯和聚乳酸制成的无线电力传输设备是第一台可以无线传输的可再生能源发电机，可为未来物联网夯实基础。 研究人员利用基本的晶体对称性原理，设计出这种石墨烯纳米复合材料。他们深知材料的摩擦或压电性质由材料的晶体学对称性决定，所以采用聚乳酸这种含有两个不对称碳原子的材料复合石墨烯制成具有不对称性的聚合物复合材料，并将它嵌入到可以提供的电压且能够将无线传输到远程设备的发电机中。最终得到能轻易产生2400V的电场，并可传输3米以上的二进制代码的传送能力，这种设备的产生将会促进物联网发展进程加快。 5.电子产业的福音：我国研发出碳纳米管手性可控合成技术 东北大学的Toshiaki Kato教授团队近期找到控制单壁碳管手性的制备方法，解决了领域内困扰科学家25年的大难题。 单壁碳纳米管有数百种，但只有少数可以选择性地合成。通过与东京大学合作，Toshiaki Kato教授团队改进方法，通过调节等离子体进行化学沉积，控制Co催化剂的氧化程度改变催化剂间的结合能，使生长具有选择性，最终得到了手性的单壁碳纳米管。莱斯大学的教授肯定了这项工作的实用性，并认为这将对电子产业可能带来极大的突破。 6.具有弹性的石墨烯基晶体管问世，解决应用难题 石墨烯电子器件的应用缺点是容易产生裂纹，但最近斯坦福大学的研究人员找到了克服这个缺点的办法，并创造出迄今为止最具弹性的碳基晶体管。 这个研究团队的创新点在创造了石墨烯纳米卷，它们是在石墨烯从一个基板移动到另一个基板的湿转移过程中自然形成的。研究人员将这些石墨烯纳米卷堆叠在石墨烯层之间，形成一种新式组合，使石墨烯导电的优异性能可充分发挥。并且这种组合使晶体管具有高度透明性和可拉伸性，因此在高应力作用下，即使石墨烯薄片出现裂缝，石墨烯卷仍能继续提供导电的路径。相较于其他导体，这种碳基晶体管表现出强大的优势。
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