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《Nature Portfolio》：多孔结构赋予石墨烯新的超能力

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发布时间：2024-06-21
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【概要描述】自 2004 年首次分离出石墨烯以来，它一直是一种神奇的材料。石墨烯薄片只有一个碳原子厚，具有强度高、重量轻、导电性强等特点，研究人员一直在寻找将这种材料应用到各种电子设备中的方法。现在，土耳其安卡拉纳米技术公司（Nanografi Nano Technology）的科学家们发现，他们可以通过在石墨烯上铆钉打孔的方法，将石墨烯变成一种更有吸引力的材料。

《Nature Portfolio》：多孔结构赋予石墨烯新的超能力

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用纳米级孔钉住石墨烯使材料更具导电性，并增加其表面积。图片来源：BONNINSTUDIO/Getty Images

自 2004 年首次分离出石墨烯以来，它一直是一种神奇的材料。石墨烯薄片只有一个碳原子厚，具有强度高、重量轻、导电性强等特点，研究人员一直在寻找将这种材料应用到各种电子设备中的方法。现在，土耳其安卡拉纳米技术公司（Nanografi Nano Technology）的科学家们发现，他们可以通过在石墨烯上铆钉打孔的方法，将石墨烯变成一种更有吸引力的材料。

Nanografi将其版本称为“多孔超级石墨烯”。“这些孔隙的引入可以赋予石墨烯一些有趣的特性，”Nanografi创新总监Mehrdad Forough说。在这些特性中，这些孔使材料更具导电性，其效率是工业规模中常用的多层石墨烯的3.3倍。

这些孔还允许离子穿过材料，提供对前表面和背面的访问，从而增加表面积。这种通道在电池、储能或生物传感器中可能很重要。孔隙的内边缘也提供了一个连接官能化学基团的地方，因此石墨烯可以与其他材料集成以制造传感器或电池电极。

事实上，制造充电速度更快、能量更充沛的电池是多孔石墨烯的主要承诺之一。“这可以促进电动汽车的超级充电站，”Forough说。这种材料可以允许新型电池，例如用钠代替锂，或者使用金属作为电极，空气作为另一个电极。新的超级电容器也可以容纳比现有设备更多的能量。

除了电池之外，还有很多其他潜在的应用。Holey石墨烯可用作高级气体分离的膜，从天然气中去除杂质，从烟气中捕获碳，或生产氢气作为燃料。出于同样的原因，它可能是水净化系统的一部分。它还可用于制造用于化学反应的改进催化剂。

正是孔的精确排列改变了电子的局部状态，并赋予了多孔石墨烯有吸引力的特性。这些孔的大小可以从大约 10 到 100 nm 不等，它们之间的距离也可以定制，从而调整电气特性。Nanografi已经尝试了几种技术来创造孔洞，包括化学蚀刻，化学气相沉积或纳米光刻，在模板上生长石墨烯，以及用电子束钻孔。其中一些技术可以更精确地放置孔，而另一些技术则可以更快地合成。该公司正在研究如何进一步加强对毛孔位置的控制。

Forough说，Nanografi之所以追求制造石墨烯的新方法，是因为它对现有材料的局限性有深刻的理解。“我们认识到，虽然石墨烯本身因其强度、柔韧性和导电性而成为一种非凡的材料，但仍有意想不到的途径可以解锁新的功能，”他说。“我们的目标不仅仅是推动材料科学的发展，而是为解决当今社会面临的一些紧迫的技术和环境挑战做出贡献。”

信息来源：材料分析与应用

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