材料科學家透過將氧化石墨烯液滴噴入熱溶劑中，構建出圓形、類似絨球的石墨烯微粒——這一過程類似於油炸（Chem. Mater. 2014, DOI: 10.1021/cm5034244）。研究人員表示，該技術可以提供一種簡單、通用的方法來製造電池和超級電容器的電極材料，並可能導致具有更高能量和功率密度的裝置。
科學家們希望在電極中使用石墨烯，因為它具有出色的導電性、穩定性和高表面積。然而，標準的石墨烯生產方法會產生聚集或堆疊的薄膜，從而減少表面積並使材料難以加工。
為了利用該材料的電學和力學效能，同時保持其高表面積，研究人員最近嘗試建立三維石墨烯結構。幾個研究小組已經制造出石墨烯泡沫和氣凝膠。但韓國首爾延世大學的材料科學家Sang-Hoon Park表示，這些材料不適合用於電極，因為它們體積過大且不規則，而且碳材料的密度較低。其他一些小組使用 3-D 模板和諸如化學氣相沉積和冷凍乾燥等技術製造出體積較小的石墨烯奈米球和微球。
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Park 和他的同事，包括延世大學的 Kwang-Bum Kim 和韓國陶瓷工程與技術研究所的 Kwang Chul Roh，決定採取第二種方法。然而，雖然其他人制造的球體看起來像空心球或皺巴巴的紙團，但韓國團隊的顆粒類似於絨球：它們包含從中心向外輻射的石墨烯奈米片。Park 表示，這種排列增加了石墨烯的暴露表面積，並建立了可以增強電荷轉移的開放奈米通道。
研究人員只是將氧化石墨烯薄片的懸浮液透過超聲波噴嘴，該噴嘴使用聲波將懸浮液分解成微滴。他們將液滴向下噴入 160 °C 的有機溶劑和抗壞血酸（一種還原劑）的混合物中。
在熱混合物中，氧化石墨烯還原為石墨烯片，然後聚集在一起。液滴中的水蒸發並向液滴表面逸出。“我們認為，這種水的快速蒸發是石墨烯奈米片徑向向外排列的原因，”Park 說。直徑為 5 微米的石墨烯微球從溶液中沉澱出來，研究人員將其過濾出來。
該團隊還透過從矽奈米顆粒和氧化石墨烯的懸浮液開始，製造了負載矽的石墨烯顆粒。矽是一種很有前景的鋰離子電池負極材料，因為它具有高電荷儲存容量，但由其製成的負極在充電和放電過程中會膨脹和變形。將其封裝在碳支架中可以克服這個問題。
為了測試純石墨烯球體，研究人員用這些材料的漿料製造了 1 x 1 釐米的電極。他們將電極和另一個由未組裝的石墨烯片製成的電極浸入硫酸電解質中。微球電極的電容為每克 151 法拉，而普通石墨烯電極的電容為 118 F/g，這表明顆粒的 3-D 結構提高了效能。
中國科技大學的化學家和奈米科學家 俞書宏 表示，絨球石墨烯電極的電容雖然令人印象深刻，但與其他用 3-D 石墨烯材料製成的電極相當。但油炸技術使這項工作新穎而重要。與製造 3-D 石墨烯的其他方法相比，它“直接、簡單，更容易擴大規模用於工業應用”，他說。另一個關鍵優勢是該方法允許將功能奈米顆粒直接捕獲到微球中以形成奈米複合材料。
本文經《化學與工程新聞》授權轉載 (© American Chemical Society)。 這篇文章於 2015 年 1 月 14 日首次發表。