苏东和埃里克•斯塔奇使用强大的电子显微镜，分析的样品是活性石墨烯，他们在布鲁克海文国家实验室的功能纳米材料中心进行研究。斯塔奇说：“功能纳米材料中心提供方便，世界各地的科学家都可以解决纳米科学和纳米技术的前沿问题。这项工作正是这个设施要做的事。”来源：布鲁克海文国家实验室
美国能源部布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的科学家协助揭示了纳米尺度结构的新形态碳，有助于解释为什么这种新材料的作用就像超级吸水的海绵，当它吸纳电荷时就是这样。这种材料日前被创造出来，研发者是奥斯汀（Austin）得克萨斯大学（University of Texas），这种材料可用于“超级”储能设备，具有非常高的存储容量，同时保留其他优秀属性，比如超高速能量释放，快速充电时间，使用寿命至少有1万个充/放电周期。 “这些特性使这种新形态的碳特别有吸引力，可以满足电能储存需求，这也需要快速释放能量，例如，在电动汽车上，也要理顺间歇性能源的电力供应，这些能源比如风力和太阳能发电，”布鲁克海文国家实验室的材料科学家埃里克•斯塔奇（Eric Stach）说，他联合撰写了论文，描述这种材料，发表在《科学》上，时间是2011年5月12日。
原子分辨率电子显微镜图像显示的活性石墨烯，表明这种材料包含单一片状结晶碳，高度弯曲，形成一种三维多孔网络，来源：布鲁克海文国家实验室
超级电容器类似电池，因为两者都存储电荷。电池需要化学反应，就是金属电极和液体电解质之间的反应。由于这些化学物质需要时间来进行反应，因此，能量储存和释放相对缓慢。但电池可以储存大量的能量，释放需要相当长的一段时间。
另一方面，超级电容器存储电荷的形式是离子，在电极表面存储，类似静电，而不是依靠化学反应。充电电极导致离子在电解液中分离，也叫两级化，这样，电荷就被存储在连接处，就是电极与电解液之间的交界处。孔隙在电极上增加了表面面积，在这上面，电解质可以流动和互动，这就提高了能量的储存。
但是，由于大多数超级电容器不能像电池那样存储同样多的电荷，它们的使用就局限于一些地方，就是少量能量的迅速需求，或很长的使用寿命必不可少的地方，比如移动电子设备中。
这种新材料的开发者是奥斯汀德克萨斯大学研究人员，这种材料可以改变这一点。它制成的超级电容器具有的能量存储容量，或能量密度，接近铅酸电池，同时保留了高功率密度，也就是快速能量释放，这是超级电容器的特点。
“这种新材料结合了两种电力储存系统的属性，”得克萨斯大学小组领导罗德尼•鲁夫（Rodney Ruoff）说。“我们惊叹它出色的表现。”
奥斯汀德克萨斯大学小组已经着手创造更具多孔形态的碳，他们使用氢氧化钾（potassium hydroxide）重组化学上改进了的石墨烯薄片，这种薄片就是一种形态的碳，其中的原子排列为瓦状环，平铺形成单原子厚的薄片。这种“化学激活”先前曾用来研制各种形式的“活性炭”，它们有孔隙，可增加表面积，用于过滤器和其他地方，包括超级电容器。
但是，由于这种新形式的碳是如此优越，胜过其他用于超级电容器的材料，奥斯汀德克萨斯大学的研究人员知道，他们表征这种结构需要在纳米尺度进行。 鲁夫形成了一个假设，就是材料包含连续三维多孔网络和单原子厚的壁，具有一个重要部分，就是“负曲率碳”（ negative curvature carbon），类似外翻式巴基球（buckyballs）。他去找布鲁克海文国家实验室的斯塔奇，协助进一步从结构上表征，以验证或反驳这个假设。 斯塔奇和布鲁克海文国家实验室的同事苏东（Dong Su）进行了广泛的研究，场所有实验室的功能纳米材料中心，国家同步辐射光源（National Synchrotron Light Source），以及劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的国家电子显微镜中心，三个设施的支持者都是能源部科学办公室。
“在美国能源部实验室，我们在世界上分辨率最高的显微镜，我们真正全面地刻画了这种原子的结构，”斯塔奇说。
“我们的研究显示，鲁夫的假设其实是正确的，这种材料的三维纳米结构包含网络，属于高度弯曲的单原子厚的壁，会形成微小孔隙，孔隙宽度范围是1至5纳米，或十亿分之一米。” 研究内容包括详细图示的细微孔隙结构和碳壁本身，这些图像也表明，细节如何融入大局。 “国家同步辐射光源（NSLS）的数据也很关键，说明我们高度局部的特征可代表整体材料，”斯塔奇说。
“我们仍在联合鲁夫和他的团队，协力完整地描述这种材料的结构。我们还增加了计算研究，以帮助我们了解这种三维网络如何形成，这样，我们有可能定制孔径最佳尺寸，进行特定的应用，包括电容存储，催化，以及燃料电池，”斯塔奇说。
与此同时，科学家们说，这种处理技术用来创造新形态的碳，很容易升级到工业生产。“这种材料这么容易制造，采用的是宇宙中最丰富的元素之一，将广泛影响研究和技术，在能量储存和能量转换上都是这样，”鲁夫说。
