理論轉化為現實：鈉嵌入碳材料的“進擊”

材料牛注：在碳基能源技術中，少量的鈉就能起到很大的作用。具體來說，在碳材料中嵌入鈉能夠大幅改善電極，從而簡化太陽能和超級電容器的生產。密歇根大學材料科學與工程學院的研究人員首次將金屬鈉嵌入碳納米，讓以往僅限于理論層次的途徑轉化為現實。

在碳基能源技術中，少量的鈉就能起到很大的作用。具體來說，在碳材料中嵌入鈉能夠大幅改善電極，從而簡化太陽能和超級電容器的生產。

在密歇根大學材料科學與工程學院Yun Hang Hu教授的帶領下，該團隊打造出一種全新的方法用以合成鈉嵌入碳納米墻材料。此前，這種材料僅限于理論層次，這項工作發表在近期的NanoLetters期刊上。

比石墨烯更好

在能源裝置中，高導電率和大接觸表面積是理想電極材料所必須的。在當前材料中，這二者是互相矛盾的：無定形碳具有低導電性但表面積大；而石墨具有高導電性，但表面積小。3D石墨烯兼具了這兩種特性，而Yun Hang Hu教授發明的鈉嵌入碳材料相比于石墨烯，更具有優勢。

Yun Hang Hu教授表示，“鈉嵌入碳材料的電導率超出3D石墨烯兩個數量級，布滿通道和孔隙的納米墻結構也比石墨烯具有更大的可接觸表面積。”

這種材料不同于摻雜金屬的碳（金屬僅僅在表面而且容易被氧化），在碳結構中嵌入金屬有助于更好地保護金屬。為了制造這種理想材料，Yun Hang Hu教授和他的團隊必須開發新的工藝。他們在金屬鈉和一氧化碳之間引入溫度控制反應，產生可以捕獲鈉原子的黑色碳粉。此外，密歇根大學與德克薩斯大學奧斯汀分校合作，證實在該材料中鈉是嵌入碳結構內部，而非僅僅附著于表面。

僅需極少量的鈉嵌入，大表面積碳的電導率就可以提高，這使得該電極材料有望應用于染料敏化太陽能電池和超級電容器等能源設備。

太陽能電池

在電力生產中，染料敏化太陽能電池（DSSCs）的能量來源于陽光，是常用硅基板的替代物。目前，鉑是染料敏化電池的可選電極材料。Yun Hang Hu教授指出：“在這些太陽能電池中，鈉嵌入的碳相比于鉑，不僅更加經濟，而且更加高效。”

在染料敏化電池領域，每0.1%的數量就可以使設備更具高效和商業可行性。該研究表明，鉑基太陽能電池的電池轉換效率為7.89%，相當于一般的標準。相比之下，采用鈉嵌入碳材料的太陽能電池可以達到11.03%的電池轉換效率。

?超級電容器

與可充電電池相比，超級電容器能更快地接收和傳遞電荷，是汽車、火車、電梯和其他重型設備的理想選擇。它們的容量單位是法拉（F），材料的密度單位為g。

活性炭通常應用于超級電容器，它的電荷密度為71F/g；3D石墨烯具有更高的電荷密度，為112F/g；鈉嵌入碳材料以145 F/g的電荷密度遠超于前兩者。此外，在經過5000次充電/放電循環后，該材料仍保持96.4%的容量，表明電極穩定性良好。

電池和超越

研究的下一步將應用于更多的能源設施材料。Yun Hang Hu教授表示：“在我們的研究中，理論與實踐并行，這為我們創造新材料提供了無與倫比的機會。”新能源裝置的創新需求很大。他看到鈉嵌入碳材料的光明前景及它對于太陽能技術、電池、燃料電池和超級電容器方面帶來的改善。

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

文獻鏈接：The Bright Future for Electrode Materials of Energy?Devices#Highly Conductive Porous Na-Embedded Carbon.

本文由材料人編輯部月亮提供素材，李曉莉編譯，黃超審核；點我加入材料人編輯部。

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