飛秒激光誘導(dǎo)石墨烯生產(chǎn)示意圖

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韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的一個(gè)研究小組使用飛秒直接激光寫(xiě)入光刻技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種由葉子制成的石墨烯-無(wú)機(jī)混合微型超級(jí)電容器。

可穿戴電子設(shè)備的進(jìn)步是柔性儲(chǔ)能設(shè)備創(chuàng)新的代名詞。在各種儲(chǔ)能裝置中，微型超級(jí)電容器因其高功率密度、長(zhǎng)壽命和短充電時(shí)間而受到人們的廣泛關(guān)注。

然而，隨著電子設(shè)備消費(fèi)和使用的增加，以及移動(dòng)設(shè)備的進(jìn)步帶來(lái)的更換周期縮短，廢電池的產(chǎn)生也在增加。在收集、回收和處理這些廢電池的過(guò)程中所涉及的安全和環(huán)境問(wèn)題帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。

地球表面的森林覆蓋率大約 30%，產(chǎn)生了大量的落葉。這種天然存在的生物質(zhì)大量存在，既可生物降解又可重復(fù)使用，這使其成為一種有吸引力的環(huán)保材料。然而，如果這些樹(shù)葉沒(méi)有得到有效利用，就會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)或水污染。

為了同時(shí)解決這兩個(gè)問(wèn)題，由機(jī)械工程系的 Young-Jin Kim 教授和韓國(guó)能源研究所的 Hana Yoon 博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)發(fā)了一種一步法技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)在沒(méi)有額外材料的情況下在葉子表面照射飛秒激光脈沖，無(wú)需在大氣條件下進(jìn)行額外處理，即可制造出具有高導(dǎo)電性的多孔3D石墨烯微電極。為了進(jìn)一步推廣這一策略，該團(tuán)隊(duì)還提出了一種生產(chǎn)柔性微型超級(jí)電容器的方法。

他們表明，這種技術(shù)可以快速、輕松地以低廉的價(jià)格生產(chǎn)多孔石墨烯-無(wú)機(jī)混合電極，通過(guò)使用石墨烯微型超級(jí)電容器為 LED 和可用作溫度計(jì)、濕度計(jì)和計(jì)時(shí)器的電子手表供電來(lái)驗(yàn)證其性能。這些結(jié)果開(kāi)辟了大規(guī)模生產(chǎn)柔性和綠色石墨烯基電子設(shè)備的可能性。

Young-Jin Kim 教授表示：“由于樹(shù)葉能產(chǎn)生難以控制的森林生物質(zhì)，因此，如果將其用于下一代能源儲(chǔ)存裝置，就可以實(shí)現(xiàn)廢棄物的再利用，實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)?！?/p>

研究亮點(diǎn)：

本研究使用飛秒激光脈沖從環(huán)境空氣中的自然落葉直接制造高導(dǎo)電、靈活和綠色的微電極，而無(wú)需任何額外的材料。分層多孔石墨烯通過(guò)一種簡(jiǎn)便、無(wú)掩模、可擴(kuò)展的一步激光寫(xiě)入在不同類型的葉子上形成圖案。葉子由生物礦物質(zhì)組成，它們分解成無(wú)機(jī)晶體，作為 3D 介孔少層石墨烯生長(zhǎng)的成核位點(diǎn)。

與合成聚合物相比，飛秒激光誘導(dǎo)石墨烯(FsLIG)微電極具有更低的薄片電阻(23.3 Ω sq?1)，并表現(xiàn)出優(yōu)異的面積電容(5 mV s?1時(shí)34.68 mF cm?2)和電容保持率(5萬(wàn)次充放電循環(huán)后≈99%)。FsLIG MSCs可以在一片葉子上輕松地為發(fā)光二極管或電子表供電，還可以應(yīng)用于可穿戴電子產(chǎn)品、智能住宅、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

文獻(xiàn)信息：

Truong‐Son Dinh Le, Yeong A. Lee, Han Ku Nam, Kyu Yeon Jang, Dongwook Yang, Byunggi Kim, Kanghoon Yim, Seung‐Woo Kim, Hana Yoon, Young‐Jin Kim. Green Flexible Graphene–Inorganic‐Hybrid Micro‐Supercapacitors Made of Fallen Leaves Enabled by Ultrafast Laser Pulses. Advanced Functional Materials, 2021; 2107768 DOI: 10.1002/adfm.202107768

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