Collaborative Research: Photon-Enabled Atomic Drilling of Graphene for Supercapacitors

合作研究:用于超级电容器的石墨烯光子原子钻孔

基本信息

  • 批准号:
    1825608
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 8万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-09-01 至 2022-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Supercapacitors have emerged as next-generation high-performance power sources for portable devices used in a wide range of consumer, biomedical, healthcare, and military applications. It remains a fundamental challenge in supercapacitor design to simultaneously achieve high energy and power densities with a long cycle life. A porous graphene framework, consisting of a three-dimensional graphene structure containing nano-sized holes and micro-size pores, has emerged as a promising solution to address this challenge due to its superior electrochemical properties. However, the existing methods for fabricating this graphene framework often rely on thermal chemical etching processes, which suffer from low efficiency and poor controllability due to complex experiments and poor thermal stability of etchants. This award supports fundamental research to provide knowledge for the development of a novel manufacturing strategy using photon-material interactions to realize porous graphene framework fabrication with a high efficiency. This research will have significant broader impact because of the spillover into literally all economic sectors because of the potential transformative performance improvement of supercapacitors. This project also provides an integrated science and engineering training platform for graduate, undergraduate, and K-12 students, with particular emphasis on promoting participation of women and underrepresented students in research.The goal of this project is to establish a novel photon-enabled atomic drilling process to fabricate porous graphene frameworks toward supercapacitor applications. The photon-enabled atomic drilling approach utilizes photons from a nanosecond pulsed laser to initiate atomic drilling of nanoholes in the graphene basal planes for porous graphene framework fabrication with high efficiency and controllability. The major research objective is to establish a fundamental understanding of mechanisms involved in the photon-enabled atomic drilling process responsible for the formation of porous graphene frameworks. A computational model capable of predicting photon-enabled bond excitation and dissociation as affected by the laser processing parameters will be developed. Microstructure characterization and electrochemical property testing will be conducted to establish the process-structure-property relationship. This research contributes to advances in photon-based manufacturing technology development.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
超级电容器已成为用于广泛消费者,生物医学,医疗保健和军事应用中的便携式设备的下一代高性能电源。 在超级电容器设计中,要同时实现具有较长循环寿命的高能量和功率密度的基本挑战。 一个多孔的石墨烯框架,该框架由包含纳米孔和微型孔的三维石墨烯结构组成,由于其出色的电化学性能,已成为解决这一挑战的有希望的解决方案。 但是,现有的制造该石墨烯框架的方法通常依赖于热化学蚀刻过程,由于复杂的实验和蚀刻剂的热稳定性较差,因此效率低下,可控性较差。 该奖项支持基本研究,以使用光子材料相互作用来开发新型制造策略的知识,以高效地实现多孔石墨烯框架制造。由于超级电容器的潜在变革性能提高,这项研究将对所有经济部门产生溢出,从而产生更大的影响。 该项目还为研究生,本科生和K-12学生提供了一个集成的科学和工程培训平台,特别着重于促进妇女和人数不足的学生参与研究。该项目的目的是建立一个新型的具有光子的原子钻探过程,以构建对超级效果应用程序应用的多孔石墨烯框架。支持光子的原子钻孔方法利用来自纳米脉冲激光器的光子来启动石墨烯基平面中纳米霍尔斯的原子钻孔,用于具有高效率和可控性的多孔石墨烯框架。 主要的研究目标是建立对支持多孔石墨烯框架形成的光子原子钻探过程中涉及的机制的基本理解。 将开发一个能够预测受激光处理参数影响的能够预测启用光子键激励和解离的计算模型。 将进行微观结构表征和电化学性能测试,以建立过程结构 - 特性关系。 这项研究有助于基于光子的制造技术开发的进步。该奖项反映了NSF的法定任务,并被认为是值得通过基金会的知识分子优点和更广泛影响的评论标准来评估值得支持的。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Polar coupling enabled nonlinear optical filtering at MoS2/ferroelectric heterointerfaces
  • DOI:
    10.1038/s41467-020-15191-2
  • 发表时间:
    2020-03-17
  • 期刊:
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Li, Dawei;Huang, Xi;Hong, Xia
  • 通讯作者:
    Hong, Xia
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Yongfeng Lu其他文献

Simultaneous determination of La, Ce, Pr, and Nd elements in aqueous solution using surface-enhanced laser-induced breakdown spectroscopy
表面增强激光诱导击穿光谱法同时测定水溶液中的 La、Ce、Pr ​​和 Nd 元素
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  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.1
  • 作者:
    Xinyan Yang;Zhongqi Hao;Meng shen;Rongxing Yi;Jiaming Li;Huiwu Yu;Lianbo Guo;Xiangyou Li;Xiaoyan Zeng;Yongfeng Lu
  • 通讯作者:
    Yongfeng Lu
Ultrafast dynamics of three types of simultaneous shockwaves and filament attenuation in femtosecond laser multi-pulse ablation of PMMA
飞秒激光多脉冲烧蚀 PMMA 中三种类型同时冲击波和灯丝衰减的超快动力学
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Guoyan Wang;Lan Jiang;Jingya Sun;Jie Hu;Qingsong Wang;Ming Li;Yongfeng Lu
  • 通讯作者:
    Yongfeng Lu
Micro/nano processing of natural silk fibers with near-field enhanced ultrafast laser
近场增强超快激光对天然丝纤维进行微纳加工
  • DOI:
    10.1007/s40843-020-1351-3
  • 发表时间:
    2020-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.1
  • 作者:
    Ming Qiao;Huimin Wang;Haojie Lu;Shuo Li;Jianfeng Yan;Liangti Qu;Yingying Zhang;Lan Jiang;Yongfeng Lu
  • 通讯作者:
    Yongfeng Lu
High aspect ratio, high-quality microholes in PMMA: a comparison between femtosecond laser drilling in air and in vacuum
PMMA 中的高深宽比、高质量微孔:空气中和真空中飞秒激光钻孔的比较
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2018-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Changji Pan;Lan Jiang;Qingsong Wang;Jingya Sun;Guoyan Wang;Yongfeng Lu
  • 通讯作者:
    Yongfeng Lu

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  • 财政年份:
    2011
  • 资助金额:
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    2010
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    2009
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