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清华大学化工系魏飞、张强课题组成功制备出一种具有自分散、不堆叠特性的柱撑石墨烯，可以用于高倍率、高容量的锂硫电池。相关工作于2014年3月3日以《用于高倍率锂硫电池的不堆叠柱撑石墨烯》（Unstacked double-layer templated graphene for high-rate lithium-sulfur batteries）为题发表在《自然·通讯》（Nat. Commun., 2014, DOI: 10.1038/ncomms4410）上。
石墨烯是一种二维片状纳米碳材料，具有优异的力学、热学、电学、光学性能以及广泛的应用前景。但石墨烯间较强的相互作用导致其容易堆叠，多片石墨烯放在一起时易形成层间距仅有0.334纳米的多层石墨烯结构。这种片状材料易堆叠的特性降低了材料的比表面积，限制其界面的高效利用，从而使其在储能、催化、复合材料、电子器件等领域应用时宏观性能大打折扣。因此，发展一类防止石墨烯堆叠的新概念与有效方法是促进石墨烯性能利用最大化的关键。
为了攻克纳米材料难分散难关，清华大学化工系魏飞、张强研究组发展了柱撑石墨烯这种具有自分散特性的新材料。有别于在石墨烯间层间引入金属氧化物、导电高分子、炭黑、碳纳米管等隔离物以防止堆叠的思路，该课题组通过催化气相生长调变石墨烯的结构，获得了具有突起结构的石墨烯。当两层石墨烯接近时，石墨烯片上的突出起到柱撑功能，从而避免石墨烯堆叠形成层间距0.334纳米的多层石墨烯结构。这种方法克服了石墨烯与其他物质杂化所带来的石墨烯本体性能及界面改变等复杂问题，提供了一种具有本征自分散特性、不堆叠的新型石墨烯。这种石墨烯的比表面积高达1628 平方米/克，具有大量孔径在2-7纳米的介孔，孔体积高达2.0 立方厘米/克。这种不堆叠的柱撑石墨烯在锂硫电池储能中体现了优异的性能。如果将该材料用于锂硫电池正极，在放电电流密度高达5 C时（即电池0.2小时放电完毕），锂硫电池基于活性硫电极材料的可逆容量可高达1034 毫安时/克，相比磷酸铁锂（170 毫安时/克）等锂离子电池正极材料，其活性材料容量大幅度提高。即使在循环1000次后，其在5 C的电流密度下的可逆容量仍可保持530 毫安时/克。对比活性炭、多孔碳、碳纳米管、普通石墨烯等碳材料，该报道中的柱撑石墨烯分散性更好，更容易构建高效导电网络及畅通的离子通道，使其储能性能得到显著提升，所得的锂硫电池的能量密度、功率密度显著优于已有的商用锂离子电池，在电动汽车、个人电子产品以及大规模储能中具有巨大潜在应用前景。
张强表示，这种不堆叠的柱撑石墨烯材料还有望在环境保护、纳米复合材料、电子器件及个人健康等方面获得有效应用。这种基于拓扑结构引发的不堆叠特性并不局限于石墨烯，也适用于发展其它具有三维拓扑柱撑结构，从而为纳米材料的宏观特性得到充分体现提供了新原理支持。
文章第一作者为化工系博士生赵梦强。国家自然科学基金委员会、科技部、北京市科委资助了此项研究。
