近日，科英布拉大学M. Tavakoli教授在Energy & Environmental Materials上发表题为：“Biphasic Graphene-Oxide Liquid Metal Powder: Synthesis, Characterization, and Application in Energy Storage” 的研究型论文。
亮点
1. 成功开发了一种干态LM粉末的合成方法，使其具有LM核心和还原氧化石墨烯壳层。
2. GO@EGaIn中，氧化石墨烯提供了出色的机械和化学稳定性，并允许导电性。其多孔结构不会阻碍LM液滴与环境之间的离子交换，使得LMNDs可用于能量存储和电化学传感。
3. GO@EGaIn纳米复合材料作为碱金属离子电池的负极，在新型Ag-EGaIn电池单元中表现出令人印象深刻的储能容量。
研究背景
镓及其低熔点合金，如共晶镓铟（EGaIn），结合了独特的高电导率(3.4×10^6 S m1）、液体可变形性、低毒性等。这些特性使得基于镓的液态金属（LM）成为各种应用中的理想材料。这包括软物质和可拉伸电子设备、机器人皮肤，带有接近、触摸、压力和应变传感器、生物医学监测贴片、软执行器、和高导热膏体。然而，由于EGaIn处于液态，它容易涂抹，增加了处理难度；同时，高表面张力、低流动性以及对其他材料的腐蚀性限制了其在先进加工和实际应用中的使用。一种解决液态金属高表面张力的方法是通过超声波、微流控、雾化和剪切等技术合成液态金属微/纳米滴。这使得液态金属在传感、催化和复合材料合成中的应用成为可能。然而，液态金属滴的长期稳定性取决于其超薄氧化层。当受到机械应力或暴露于酸性或碱性环境时，这层3 nm的氧化壳很容易破裂。
为了应对这一问题，已经有多项努力致力于开发具有液态核心和固态壳层的双相液态金属粉末。在一项研究中，液态金属EGaIn在流体乳酸内超声处理，形成了围绕EGaIn纳米滴的聚己内酯壳层，干燥后形成粉末。在另一项研究中，通过向大块EGaIn中加入氧化锌和透闪石，并在离心管内进行剧烈机械混合，生成了双相液态金属粉末。在这种情况下，配方涉及使用20–60重量%的EGaIn。另一种创新方法是通过双金属离子螯合策略合成LM粉末，这种方法赋予了坚固且实质性的壳层，重量占总复合材料的4.71%。
尽管这些先前的努力提高了壳体的坚固性，并通过形成双相粉末促进了长期存储，但在电子应用方面仍显不足。造成这一问题的原因有多个，包括使用了不导电的外壳，这抑制了电导率，以及添加剂材料含量高（5-60%），这显著改变了复合材料与液态金属相比的电机械性能。此外，对于某些应用，如储能，液态金属粉末在接触强碱性电解质时应具有长期稳定性。
为了应对这些问题，我们开发了一种新的双相液态金属粉末，该粉末具有优异的化学稳定性，并且具有固体导电界面壳层。作为壳层涂层，我们使用了氧化石墨烯（GO），它具有优异的机械、化学和热稳定性，并且可以通过还原过程变得导电。通过在EGaIn液滴上涂覆微量的GO，我们将这些优良性能归因于EGaIn本身。此外，我们还证明了形成干态液态金属粉末的阈值仅为0.5%的GO。本工作通过合成一种易于处理且在强碱性溶液中具有机械和化学韧性的双相粉末，实现了将这种粉末与其他颗粒和聚合物混合的可能性，确保了这些粉末在用于储能溶液的强碱性电解质中的稳定性。这项工作为液态金属应用开辟了新的可能性，特别是在不断发展的室温液态金属电池领域。
文章简读
作者介绍了干态液态金属粉末的合成、表征及应用，该粉末含有被氧化石墨烯壳保护的液态核心，从而提高了粉末的机械和化学稳定性。尽管其氧化石墨烯含量极低，但合成后的粉末在强碱性溶液中表现出显著的化学和机械稳定性，使其适用于多种应用。此外，双相粉末具有可打印性，为其实现增材制造过程铺平了道路。通过系统地改变氧化石墨烯填料含量，作者确定了形成双相粉末所需的临界量值。此外，将GO@EGaIn作为全电池阳极材料的应用，结合氧化银阴极和6 M氢氧化钾电解质。通过循环伏安法和恒流充放电测试进行的电化学测试，该电池在2 mA cm-2，电流密度下表现出33.24 mAh cm-2的比容量，同时具有高达97%的高库仑效率和超过150次循环的稳定性能。对电池放电后的电化学分析揭示了不同的退化现象，其中GO@EGaIn阳极保持结构完整性，而氧化银阴极则出现恶化。进一步强调了研究优化阴极材料以提高电池整体性能和寿命的必要性。
图文赏析
图1 a)合成GO@EGaIn粉末涉及的各个阶段。b)光学和显微图像，以及展示研磨过程的图像，分别对比了无GO和0.5 wt% GO样品。c)双相GO@EGaIn粉末的多种性能。d)电池结构示意图及光学图像，展示了不同基板上的LED照明效果。
图2 GO@EGaIn//Ag2O全电池的电化学分析。
文章链接
Afsaneh L. Sanati, Andr´e F. Silva, Miguel Maranha, and Mahmoud Tavakoli*, Biphasic Graphene-Oxide Liquid Metal Powder: Synthesis, Characterization, and Application in Energy Storage.Energy Environ. Mater. 2025. e12890 DOI: 10.1002/eem2.12890
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