【新材料●新能源●低碳环保】 2018 第十九期 石墨烯，固体润滑剂的有效替代品；迈向规模化大面积原子厚石墨烯薄膜可用于工业气体分离；挪威科学家寻找到新材料硅x作为电池阳极 可显著提高电池容量

【新材料●新能源●低碳环保】 2018 第十九期 石墨烯，固体润滑剂的有效替代品；迈向规模化大面积原子厚石墨烯薄膜可用于工业气体分离；挪威科学家寻找到新材料硅x作为电池阳极 可显著提高电池容量

2018-07-18 张江发展战略研究院

采编 | Paul

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上海人大人科学发展研究院）

技术洞察

阿贡国家实验室：石墨烯，固体润滑剂的有效替代品

任何曾经开车换过油的人，都明白减少汽车各部件间摩擦的重要性。美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的研究人员多年来一直致力于用石墨烯等固体润滑剂替代石油，以减少零件间的摩擦。石墨烯是一种成本更低、效果更好的润滑剂替代品，其使用寿命也更长。

阿贡国家实验室指导研究和研发项(LDRD)目给了他们实验所需的种子资金，最初对研究员Anirudha Sumant和Ali Erdemir的工作进行了资助。

石墨烯也可以用来更好地保护球轴承。我们知道：当轴承暴露于水中时，随着时间推移轴承表面会发生腐蚀。这一过程通常被称为摩擦腐蚀。阿贡实验室基于石墨烯的研究结果表明：由于添加了若干层石墨烯，不仅钢与钢之间摩擦值减少了7倍、磨损量减少了10000倍，同时还显著缓解了摩擦腐蚀问题。

图片来源：阿贡国家实验室

通过制造出石墨烯封装的钻石滚珠轴承，或者“卷轴”，Sumant的团队找到了一种将纳米级的超润滑性转化为宏观现象的方法。

“与其他现有固体润滑剂涂层相比，这是一项重大改进。”Sumant说道。“而且所需石墨烯数量非常少。因此，成本要低得多。另外一个极大的附加收益就是：由于消除了石油浪费，相对来说会更加环保。”

Sumant及其同事的研究工作对汽车行业产生了深远影响。它可以帮助风力涡轮机更为有效地运转，从而使其能够产生更多能量。当能源设备从地面或海上泵出石油或天然气时，它还可以更好地对机器进行密封。

由纳米材料中心的研究员——Sumant领导的阿贡实验室团队，后来又从美国能源部获得了额外的两笔拨款，总额达140万美元。

正是通过最初的LDRD资助，他们认识到石墨烯是一种新兴的固体润滑剂，而且与目前的油基和其他固体润滑剂（包括石墨润滑剂甚至类金刚石碳）工作方式不同。

石墨烯不仅性能更好，而且性价比更高。即使是中等质量的石墨烯也非常适合摩擦学应用，但是对各种电子和传感器的应用却并非如此。

传统固体润滑剂涂层的大部分成本与应用它所需的基础设施有关，包括运行相关机器的电力和机器的维护。石墨烯不是这样，石墨烯可通过在空气中喷洒溶液来施加，并且可涂覆任何的复杂形状或尺寸，同时还可以在较大的表面积上应用。

为了将他们的发现引进市场，Sumant和他的团队目前正在与两个不同行业的不同公司进行合作。

第一家是世界领先的机械泵密封件供应商之一。它正与科学家进行合作，试图用石墨烯代替碳化硅密封件。这样的话，可以显著减少零件磨损和摩擦。

该团队还计划与汽车行业的另一家公司合作，该公司使用模具制造汽车零件，包括门板。阿贡实验室研究人员正在寻求开发一种新型润滑剂，这种润滑剂可以减少金属成型应用中的摩擦，从而降低汽车制造成本。

阿贡国家实验室的LDRD项目经理Vivian Sullivan表示，石墨烯实验是基础科学如何在实验室之外用于实际手段的一个很好的例子。

“像这样具有实际应用的发现正是DOE所寻求的，”她说道。“这就是为什么该部门在首轮LDRD资金支持后，又对该项目进行资助的原因。”

LDRD支持高风险、潜在高价值的研究和开发。它鼓励新颖技术概念的创造，并持续致力于提高国家实验室实力，以实现自身及联邦资助机构的目标。

“这是实验室不断重振研究的主要方式之一，”阿贡实验室高级科学顾问兼美国能源部科学用户设施办公室纳米材料中心和纳米科技部门主任Supratik Guha这样说道。

LDRD的项目资金也帮助Sumant和他的团队获得了一个特殊设备——多功能摩擦计，可利于高温阶段研究工作的开展。这有助于研究两个表面间几乎无法估量的摩擦、磨损和力。

该设备现已在纳米材料中心拥有一块永久性归属地，并将很快向外部用户开放。


原文来自：nanowerk.，原文题目：Graphene - slippery when dry，由材料科技在线团队翻译整理。

迈向规模化大面积原子厚石墨烯薄膜可用于工业气体分离

洛桑联邦理工学院的化学工程师们不懈努力，首次证实原子厚石墨烯能高效分离气体混合物。这种“终极“膜还可以扩展，将成为工业气体分离的突破口。

图为纳米多孔碳增强的单层纳米多孔石墨烯，可以用于从甲烷中分离氢

把混合气体（如空气）分离为各自的单组分的过程可以用于多种工业应用，包括沼气生产、金属加工中的空气富集、天然气中有毒气体的去除，以及氨厂和炼油厂的氢回收。气体分离过程经常会用到聚合物（如纤维素）或其他材料制成的合成膜。近年来，研究转向了被称为“终极“膜的单原子厚度石墨烯膜，它被证明是最薄的分子屏障，因此也是最有效的膜，具有出色的渗透性、强度和可扩展性。

然而，开发石墨烯的过程中遇到了两个瓶颈：第一，缺乏将分子大小的孔结合到石墨烯层中的方法；第二，缺少制造高强度、无缺陷大面积石墨烯膜的方法。

现在研究迎来了重大突破，可以解决以上问题。EPFL Valais Wallis的Kumar VaroonAgrawal团队开发出一种大面积单层石墨烯膜，可高效分离氢气和甲烷（分离系数高达25%），孔隙率仅为0.025%，具有前所未有的氢渗透性。

这种独特的膜上有可让氢渗透通过的纳米孔，也就是“气体筛”。该膜在工业压力和温度下可以保持稳定（至少高达7 bar和250℃）。更重要的是，团队能够制造出1平方米的表面无缺陷薄膜膜，远超先前报道中的几平方微米。Agrawal的团队如今正致力于在石墨烯中掺入更高密度的纳米孔，以实现石墨烯的真正潜能。

Agrawal表示：“这是一种生产无缺陷石墨烯层的创新技术，要实现原子厚石墨烯膜的终极性能还有很长的路要走，未来可应用与许多重要的分离应用，包括碳捕获、氢回收和清洁饮用水的净化。”

文章来自nanowerk网站，原文标题为An atom-thick graphene membrane for industrial gas separation，由新材料科技在线团队整理编辑。

挪威科学家寻找到新材料硅x作为电池阳极 可显著提高电池容量

多年来，科学家们一直认为硅是锂离子电池领域的一种极具前景的材料。最主要的原因是，使用它作为电池阳极可能意味着电池的容量会是当前版本的10倍——至少在理论上是这样。但在现实中，当电池的使用时长超过充电周期时，它很容易破裂。现在，挪威能源技术研究所的科学家们声称他们已经用一种称为硅x的新材料克服了这个问题。

研究人员将这种新材料描述为他们一直在寻找的“x因素”，找到这种新材料并不简单。多年来，世界各地的科学家一直在努力研究如何将相对脆弱的硅作为电池阳极，也就是电流流入电池的那一极。

我们已经看到许多实验技术在实验室中显示出了巨大的应用潜力。一些更有趣的方法包括将硅置于一个石墨烯笼中，将其压成粉末，将其作为长度为几微米的纳米线，或者将其部署成纳米粒子的形式。

使用普通硅作为阳极的问题在于，当电池充电时，这些颗粒会膨胀多达400%，然后在放电时恢复正常，从而导致电池破裂。美国能源技术研究所的科学家们说，他们已经用一种新型硅合金克服了这个问题，这种合金是由硅纳米颗粒和一种不知名的材料精心混合而成，目前正在进行这项技术的专利申请。

该团队已在实验室进行测试并表示，尽管新电池的最初设计会考虑容量，但其在整个充电周期内的稳定性意味着它的容量将远远高于快速降解的纯硅阳极电池，并且其容量比现在使用的石墨阳极电池的充电容量高出三到五倍。

如果这类结果能在实验室之外重现，那么有一天，手机只需要每周充电两次，或者电动汽车一次充电可以行驶上千英里。然而这仍然是一个很大的“如果”。但是科学家们得到了挪威研究委员会的支持，继续研究这项工作，并与私人合作伙伴合作，试图将SiliconX推向市场。

文章来自newatlas网站，原文题目为SiliconX: Scientists hail new alloy as missing ingredient for next-gen batteries，由材料科技在线汇总整理。

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