氧化石墨烯在新能源材料的应用

晓说

萨斯喀彻温大学的研究员Adrian Hunt，在加拿大研究主席Alexander Moewes博士的同步辐射材料科学课题组完成博士学位期间，一直致力于氧化石墨烯的研究-----并且他希望可以借此塑造未来科技中的先进材料。

石墨烯是一种由碳原子构成蜂巢晶体的单层片状结构------最早是在2004年由曼彻斯特大学的Andre Geim 和 Kostya Novoselov发现，并因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

目前，市场上大部分太阳能电池采用铟锡氧化玻璃作为非导电保护层。Hunt分析并表示道：“稀缺资源铟有限的储量，使太阳能电池越来越昂贵------这极大的限制太阳能电池在未来的发展前景，相反碳丰富的储量使石墨烯非常便宜。”

Hunt阐述道：“令人难以置信的薄，使石墨烯具有极高的透明度。同时还具有远远超过铜的极高的电导率和优于钢的抗拉强度。并且，在空气中不会被氧化。不会被腐蚀，性能也不会随时间而退化------性质非常稳定”。而这些性质使得石墨烯成为太阳能电池材料的一个非常好的选择。尤其是，其超高的透明度和导电率很好地解决了太阳能电池应用中的两大问题：首先,提供了光转化为可用能源时需要的良导体；其次，解决了光高效率通过电池而所需要的透明度。

但尽管石墨烯是一个非常棒的导体，却不能充分利用太阳能电池内产生的电流。科研人员正在研究如何“改造”石墨烯使其变得更加实用。对于石墨烯，Hunt发现将氧元素掺杂到碳结构的晶格中后，使其电导率在很大程度上下降，但透明度和储存电荷能力显著增强了。是否能够解决太阳能电池板的问题仍有待观察。而且该领域的研究人员正在探索这种新材料的工作原理。

Hunt利用加拿大光源（CLS）的REIXS和SGM 光束线和先进光源(LAS)的中的Beamline 8.0.1进行了X光散射分析，了解附加了含氧官能团的石墨烯晶格的变化--------特别是它们是如何与带电石墨烯原子相互作用的。

“氧化石墨烯结构相当混乱。很难用简单的模型来模拟它复杂的结构，但是我想构建出可以真正反映氧化石墨烯复杂结构的模型，并借此了解它自身不同部分的相互作用”。对Hunt而言，以前的模型过于简单。

在氧化石墨烯中每一个不同部分都具有独特的电子信号。利用同步加速器，Hunt可以检测出石墨烯上电子的位置，以及如何运用不同的含氧官能团来“修饰”这些电子。他也指出，尽管先前的模型是不正确的，但他希望其有助于理解一些微小氧化对石墨烯的影响。

此外，他还研究了氧化石墨烯的衰落变化。发现了在氧化石墨烯中一些含氧官能团是不稳定的，可以结合在一起并撕裂晶格；而其它则可以进行反应生成水。并且在氧化石墨烯设备中如果有水存在，加热后会使氧化石墨烯产生二氧化碳。而长时间的太阳照射为氧化石墨烯太阳能电池提供了这样不利的热。

Hunt表示：“更多关于这类研究将成为在太阳能电池中利用石墨烯的关键。这是一个随着时间推移的复杂连锁反应，在我们能取得实质性进展之前每一个步骤都需要解决和分类。”