理论转化为现实：钠嵌入碳材料的“进击”

材料牛注：在碳基能源技术中，少量的钠就能起到很大的作用。具体来说，在碳材料中嵌入钠能够大幅改善电极，从而简化太阳能和超级电容器的生产。密歇根大学材料科学与工程学院的研究人员首次将金属钠嵌入碳纳米，让以往仅限于理论层次的途径转化为现实。

在碳基能源技术中，少量的钠就能起到很大的作用。具体来说，在碳材料中嵌入钠能够大幅改善电极，从而简化太阳能和超级电容器的生产。

在密歇根大学材料科学与工程学院Yun Hang Hu教授的带领下，该团队打造出一种全新的方法用以合成钠嵌入碳纳米墙材料。此前，这种材料仅限于理论层次，这项工作发表在近期的NanoLetters期刊上。

比石墨烯更好

在能源装置中，高导电率和大接触表面积是理想电极材料所必须的。在当前材料中，这二者是互相矛盾的：无定形碳具有低导电性但表面积大；而石墨具有高导电性，但表面积小。3D石墨烯兼具了这两种特性，而Yun Hang Hu教授发明的钠嵌入碳材料相比于石墨烯，更具有优势。

Yun Hang Hu教授表示，“钠嵌入碳材料的电导率超出3D石墨烯两个数量级，布满通道和孔隙的纳米墙结构也比石墨烯具有更大的可接触表面积。”

这种材料不同于掺杂金属的碳（金属仅仅在表面而且容易被氧化），在碳结构中嵌入金属有助于更好地保护金属。为了制造这种理想材料，Yun Hang Hu教授和他的团队必须开发新的工艺。他们在金属钠和一氧化碳之间引入温度控制反应，产生可以捕获钠原子的黑色碳粉。此外，密歇根大学与德克萨斯大学奥斯汀分校合作，证实在该材料中钠是嵌入碳结构内部，而非仅仅附着于表面。

仅需极少量的钠嵌入，大表面积碳的电导率就可以提高，这使得该电极材料有望应用于染料敏化太阳能电池和超级电容器等能源设备。

太阳能电池

在电力生产中，染料敏化太阳能电池（DSSCs）的能量来源于阳光，是常用硅基板的替代物。目前，铂是染料敏化电池的可选电极材料。Yun Hang Hu教授指出：“在这些太阳能电池中，钠嵌入的碳相比于铂，不仅更加经济，而且更加高效。”

在染料敏化电池领域，每0.1%的数量就可以使设备更具高效和商业可行性。该研究表明，铂基太阳能电池的电池转换效率为7.89%，相当于一般的标准。相比之下，采用钠嵌入碳材料的太阳能电池可以达到11.03%的电池转换效率。

 超级电容器

与可充电电池相比，超级电容器能更快地接收和传递电荷，是汽车、火车、电梯和其他重型设备的理想选择。它们的容量单位是法拉（F），材料的密度单位为g。

活性炭通常应用于超级电容器，它的电荷密度为71F/g；3D石墨烯具有更高的电荷密度，为112F/g；钠嵌入碳材料以145 F/g的电荷密度远超于前两者。此外，在经过5000次充电/放电循环后，该材料仍保持96.4%的容量，表明电极稳定性良好。

电池和超越

研究的下一步将应用于更多的能源设施材料。Yun Hang Hu教授表示：“在我们的研究中，理论与实践并行，这为我们创造新材料提供了无与伦比的机会。”新能源装置的创新需求很大。他看到钠嵌入碳材料的光明前景及它对于太阳能技术、电池、燃料电池和超级电容器方面带来的改善。

原文链接：Method takes material out of theory and makes it into a real electrode.

文献链接：The Bright Future for Electrode Materials of Energy Devices#Highly Conductive Porous Na-Embedded Carbon.

本文由材料人编辑部月亮提供素材，李晓莉编译，黄超审核；点我加入材料人编辑部。

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