材料科学家通过将氧化石墨烯液滴喷入热溶剂中，构建出圆形、类似绒球的石墨烯微粒——这一过程类似于油炸（Chem. Mater. 2014, DOI: 10.1021/cm5034244）。研究人员表示，该技术可以提供一种简单、通用的方法来制造电池和超级电容器的电极材料，并可能导致具有更高能量和功率密度的设备。
科学家们希望在电极中使用石墨烯，因为它具有出色的导电性、稳定性和高表面积。然而，标准的石墨烯生产方法会产生聚集或堆叠的薄膜，从而减少表面积并使材料难以加工。
为了利用该材料的电学和力学性能，同时保持其高表面积，研究人员最近尝试创建三维石墨烯结构。几个研究小组已经制造出石墨烯泡沫和气凝胶。但韩国首尔延世大学的材料科学家Sang-Hoon Park表示，这些材料不适合用于电极，因为它们体积过大且不规则，而且碳材料的密度较低。其他一些小组使用 3-D 模板和诸如化学气相沉积和冷冻干燥等技术制造出体积较小的石墨烯纳米球和微球。
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Park 和他的同事，包括延世大学的 Kwang-Bum Kim 和韩国陶瓷工程与技术研究所的 Kwang Chul Roh，决定采取第二种方法。然而，虽然其他人制造的球体看起来像空心球或皱巴巴的纸团，但韩国团队的颗粒类似于绒球：它们包含从中心向外辐射的石墨烯纳米片。Park 表示，这种排列增加了石墨烯的暴露表面积，并创建了可以增强电荷转移的开放纳米通道。
研究人员只是将氧化石墨烯薄片的悬浮液通过超声波喷嘴，该喷嘴使用声波将悬浮液分解成微滴。他们将液滴向下喷入 160 °C 的有机溶剂和抗坏血酸（一种还原剂）的混合物中。
在热混合物中，氧化石墨烯还原为石墨烯片，然后聚集在一起。液滴中的水蒸发并向液滴表面逸出。“我们认为，这种水的快速蒸发是石墨烯纳米片径向向外排列的原因，”Park 说。直径为 5 微米的石墨烯微球从溶液中沉淀出来，研究人员将其过滤出来。
该团队还通过从硅纳米颗粒和氧化石墨烯的悬浮液开始，制造了负载硅的石墨烯颗粒。硅是一种很有前景的锂离子电池负极材料，因为它具有高电荷存储容量，但由其制成的负极在充电和放电过程中会膨胀和变形。将其封装在碳支架中可以克服这个问题。
为了测试纯石墨烯球体，研究人员用这些材料的浆料制造了 1 x 1 厘米的电极。他们将电极和另一个由未组装的石墨烯片制成的电极浸入硫酸电解质中。微球电极的电容为每克 151 法拉，而普通石墨烯电极的电容为 118 F/g，这表明颗粒的 3-D 结构提高了性能。
中国科技大学的化学家和纳米科学家 俞书宏 表示，绒球石墨烯电极的电容虽然令人印象深刻，但与其他用 3-D 石墨烯材料制成的电极相当。但油炸技术使这项工作新颖而重要。与制造 3-D 石墨烯的其他方法相比，它“直接、简单，更容易扩大规模用于工业应用”，他说。另一个关键优势是该方法允许将功能纳米颗粒直接捕获到微球中以形成纳米复合材料。
本文经《化学与工程新闻》授权转载 (© American Chemical Society)。 这篇文章于 2015 年 1 月 14 日首次发表。