石墨烯自發(fā)現(xiàn)以來一直被認(rèn)為是一種神奇的材料，因?yàn)樗Y(jié)合了幾種杰出的特性。它既薄又輕，又具有穩(wěn)定性和柔韌性，并且具有很高的導(dǎo)電性。許多應(yīng)用已經(jīng)成為可能，而許多還有待探索。石墨烯還顯示出開發(fā)“儲存器”的潛力，這種儲存器可以儲存大量的氫。
石墨烯的氫儲存具有二維結(jié)構(gòu)。氫原子可以暫時(shí)儲存在它的表面，然后在各種過程中重復(fù)使用。但是為了儲存盡可能多的氫，它需要很大的表面積。這是因?yàn)橹挥性谧钚◇w積內(nèi)有最大數(shù)量的活性表面積時(shí)，石墨烯的性能才能得到最佳利用。
石墨烯的三維結(jié)構(gòu)——為了以緊湊的形式獲得最大的表面積，石墨烯的基片表面必須從二維排列轉(zhuǎn)移到三維排列。這是意大利比薩國家科學(xué)院(CNR)納米科學(xué)研究所的Stefan Heun博士所面臨的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，一個(gè)“儲罐”應(yīng)該能夠儲存至少5公斤的氫氣，同時(shí)重量不超過100公斤，體積不超過100升。如果要儲存這么多的氫，需要面積10平方公里以上的石墨烯。因此，石墨烯的三維排列是不可避免的。
石墨烯的多孔結(jié)構(gòu)——在奧地利維也納技術(shù)大學(xué)傳感器和致動器系統(tǒng)研究所，烏爾里希·施密德(Ulrich Schmid)教授的團(tuán)隊(duì)多年來一直在研究如何將極細(xì)的多孔結(jié)構(gòu)以可控的方式集成到致密材料中。這是因?yàn)橥ㄟ^選擇性地控制孔隙度，可以在很大范圍內(nèi)影響許多材料的性質(zhì)。在此過程中，研究組成功開發(fā)出了在半導(dǎo)體碳化硅等特定材料上，刻蝕微小孔洞和通道的電化學(xué)工藝。這個(gè)過程包括幾個(gè)步驟，使用非常特殊的溶劑，電流和紫外線照射。
石墨烯的功能化過程——Dr Stefano Veronesi Heun博士納米科學(xué)研究所的研究小組成員，解釋了這一過程在氫存儲方面的應(yīng)用：“石墨烯可以在表面結(jié)合(存儲)分子氫和元素氫。然而，在室溫下，只有單質(zhì)氫與石墨烯結(jié)合良好。另一方面，氫分子只與石墨烯表面形成一個(gè)非常弱的鍵。通過石墨烯表面的選擇性功能化(“接枝”)，石墨烯表面的“存儲”能力可以在室溫下顯著提高。可儲存多少氫取決于石墨烯的表面積——石墨烯越多，可儲存的氫也越多。”
石墨烯的制備方法有很多種。在與納米科學(xué)研究所和比利時(shí)安特衛(wèi)普大學(xué)合作的研究聯(lián)盟中，來自維也納理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)使用了碳化硅(SiC)——一種由硅和碳組成的晶體。該研究的結(jié)果表明，在三維襯底上創(chuàng)建二維材料石墨烯是可能的。為了做到這一點(diǎn)，碳化硅以一種定向的方式制成多孔性，其表面隨后被轉(zhuǎn)化為石墨烯。
碳化硅——如果碳化硅的表面在高溫和超低的環(huán)境壓力下被加熱，硅就會蒸發(fā)而碳保留下來。為了在3D表面獲得石墨烯層，研究人員開發(fā)了一種電化學(xué)蝕刻工藝，將固體碳化硅轉(zhuǎn)化為所需的多孔納米結(jié)構(gòu)。這個(gè)過程刪除大約42%的卷。比薩的研究人員將剩余的納米結(jié)構(gòu)在高度真空中加熱，以觸發(fā)其表面石墨烯的形成。
安特衛(wèi)普大學(xué)電子顯微鏡材料科學(xué)研究所(EMAT)的專家對該實(shí)驗(yàn)的成功進(jìn)行了調(diào)查。研究表明，在三維納米結(jié)構(gòu)復(fù)雜的表面上確實(shí)形成了許多石墨烯薄片。因此，有可能證明石墨烯也可以在三維結(jié)構(gòu)中生成——這是一個(gè)突破性的發(fā)現(xiàn)，可以在低壓和室溫下儲存幾公斤的氫。Schmid教授說，功能化石墨烯在這一應(yīng)用中非常有前途。
化學(xué)傳感器——大型石墨烯表面應(yīng)用的另一個(gè)領(lǐng)域是化學(xué)傳感器，它可以用來檢測氣體中的稀有成分。”當(dāng)氣體分子停靠在基于石墨烯的氣體傳感器表面時(shí)，它們會檢測到石墨烯層電導(dǎo)率的變化。根據(jù)氣體分子的不同，它要么向石墨烯層提供電子(供體)，要么從石墨烯層接受電子(受體)。這種電子交換改變了石墨烯層的電導(dǎo)率。由于石墨烯層超薄，這種測量非常敏感，能夠檢測單個(gè)分子。”Schmid教授和這項(xiàng)研究的合著者Georg Pfusterschmied博士解釋說。
氣體傳感器在各種行業(yè)都有應(yīng)用，包括火災(zāi)探測、泄漏定位、排放測量、爆炸物或毒氣等戰(zhàn)爭毒劑的探測以及室內(nèi)空氣質(zhì)量測定。
