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石墨烯往事(七)重新发现——Zn-GO原电池的故事(1) 精选

已有 7862 次阅读 2015-4-1 07:33 |个人分类:讲故事|系统分类:科研笔记|关键词:石墨烯,往事,原电池,重新发现| 往事, 石墨烯, 原电池, 重新发现

在泡泡膜方面的工作是基于氧化石墨烯的自组装,但是我们希望能够获得的是自支持状态的石墨烯薄膜。那么问题来了,厚度为数百纳米到微米的GO薄膜在自支撑状态下能否实现还原呢?

(名词解释:文中的GO指氧化石墨烯)

我尝试过HI、维生素C等还原剂添加到GO溶液中然后拉膜,或者是将成型的GO薄膜浸渍还原剂然后再将样品进行加热还原,但伴随着还原过程薄膜都破掉了。这是由于还原后的氧化石墨烯相比原料GO存在着一定比例的收缩和变形,直接导致薄膜承受巨大的张力而绷紧破碎。继而我又开始尝试溶液中室温下进行还原的实验方案。而首先想到的就是锌粉,这和隔壁课题组的耿博士有关,可惜当时锌粉还原的研究很多课题组都在抢时间发表,而他的工作非常细致认真但是因为时间上晚了一点导致错失良机,有些遗憾吧。当时他曾经给我展示过锌粉快速还原氧化石墨烯的工作,不得不说,锌粉还原确实非常快速和高效,并且貌似锌粉并不需要触及所有的氧化石墨烯就能达到比较高效的还原。

这个现象一开始令人感到困惑,后来仔细一想发现锌粉可能更多的是起到电子给予体的作用,实际发挥还原效果的应该是传递过去的电子。应该说这个想法是我后续的Zn-GO原电池以及原位电化学加工组装工作的基础。这个地方我先介绍原电池方面的故事。

 

既然氧化石墨烯的还原可以不接触锌粉就能达到,那么就可以利用金属框架直接把锌的电子传递给GO薄膜,从而避免锌粉颗粒对薄膜的破坏,在溶液中实现氧化石墨烯薄膜的原位还原。这不就是原电池吗?!我突然意识到自己以前研究还原氧化石墨烯的工作,一直以来都是以一种“材料的视角”来看待GO,但是如果从“能量的视角”去看的话。金属锌还原GO的过程,实际上是一个对外输出能量的过程,能够获得电子的GO不正发挥着电池正极材料的作用吗?并且碳元素能够展现出很多金属方面的性能,从某种意义上来讲,那么它的氧化物是不是也有类似金属氧化物的性质呢?或许在某些场合真的可以替代氧化锰等金属氧化物。

于是我马上去尝试原电池的可行性,将GO粉体和导电炭黑混合涂覆在金属网上作为集流体,另一端是用锌片,在KOH电解液中,外接LED灯后,灯泡果然亮了!当然这要感谢现在的LED技术进步,所以现在0.7V以上就可以点亮LED灯了。不管怎么说,这个想法是可行的。于是我又认真分析了下,理想状态的氧化石墨C2O理论比容量高达,如果说可以达到制备出这种状态的氧化石墨或许将成为高效的电池正极材料。


这次,我在验证完实验之后,马上就去做文献检索了,深怕人家已经抢先发表了。检索结果是,最近确实没有人研究基于氧化石墨的原电池。但是我发现早在上世纪七八十年代就有人做过类似研究了!只不过他们采用的是Li-GO电池,后来这个方向朝着氟化石墨发展,并有了今天市场上的锂氟化碳电池。我从没想到过,有一天我在实验室里重新走了那些科学前辈曾经走过的老路——重新发现他们在几十年前做过的类似的实验。(脑海里又浮现起在前几天博文里,和陈楷翰先生探讨的发nature上的冰模板的故事了....)

 

当时我的感受是复杂的:有些失落,原本以为我是第一个做这件事的人,可惜不是;有些感动,因为和科学前辈不约而同地做了相似的实验;有些小伤感,当年做这些工作的人是否知道有一天石墨烯领域的研究会迎来如今的盛况呢?不过,回顾我一路的研究足迹,突然又释然了,作为新想法的第一个发现人和尝试者,这份探索过程中的乐趣已经是莫大的回报和享受了。

这种电池如果可行的话,最大的两个优点就是放电平台稳定以及电池容量大。这里面有一个有趣的类多米诺效应的现象存在,绝缘体的GO在边界处获得电子后转变成导体的RGO,从而把导电边界不断往前推进。这也是电池放电平台能够稳定的重要原因,氧化锰电池中就不会有此机理。

 

                                             

客观地讲,电池最大的缺点就是电位比较低,具体放电电位和GO的含氧量有关,弱氧化的GO其平均工作电位高,而强氧化则会低得多,虽然可以通过串联电池的方法提高输出电压,但是总体效果就不是那么理想了。另外现阶段我们也没法实现绿色制备高品质GO,这里的高品质是指石墨烯骨架上的氧都可以起到氧化作用。

这项工作最后发表在RSC Advances上,由于在氧化石墨制备方面一直未能取得突破,所以导致我们的研究成果没能远远超越前人;该工作对同行最大的启发可能还是看待材料视角的切换吧。不过另一方面,如果能在碳材料的绿色氧化方面取得进展,那么这种类型的电池未必就不能成为现实了。并且如果从战略角度去思考的话,这样的电池也是非常符合利用碳材料来解决能源环境问题的理念。所谓的“以炭治碳”这个在我博士论文的前沿也有提及,并且和科学网的“研炭翁”前辈可谓是不谋而合,感兴趣的小伙伴可以去看看他老人家。http://blog.sciencenet.cn/blog-526286-418010.html




http://blog.sciencenet.cn/blog-66736-878871.html

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