石墨烯，提高超导体的电流密度

超导体是在冷却到某个临界温度以下时对电流的流动提供零电阻的材料。通常，超导体具有非常低的临界温度，接近绝对零。然而，一类被称为高温超导体 (HTS) 的超导体的临界温度高于 77 开尔文，即液氮的沸点。它们已广泛用于许多行业的超导器件的开发。

铋锶钙铜氧化物，通常称为 BSCCO，是一类高温超导材料，已在工程、医疗设备、采矿和运输系统中得到广泛研究和应用。其成员之一（Bi1.6Pb0.4）Sr2Ca2Cu3O10或 Bi-2223 拥有最高的超导临界温度，并因其潜在应用而受到广泛关注。然而，临界电流密度弱、磁通钉扎弱以及合成路线复杂等限制阻碍了Bi-2223超导体的发展和进步。

为了解决这些缺陷，由芝浦理工学院超导材料能源与环境实验室的 Muralidhar Miryala 教授和马来西亚博特拉大学理学院物理系的 Awang Kechik Mohd Mustafa 教授领导的一组研究人员，研究了石墨烯纳米颗粒的添加对 Bi-2223 的相形成和超导性能的影响。

他们报告了当使用一种新颖的共沉淀方法将石墨烯纳米颗粒集成到 Bi-2223 中时，对 Bi-2223 的临界温度、临界电流密度以及结构和形态特性的影响。相关研究成果以“Microstructure and Superconducting Properties of Bi-2223 Synthesized via Co-Precipitation Method: Effects of Graphene Nanoparticle Addition”为题发表在《Nanomaterials》上。

由于石墨烯具有优异的电学、机械和化学性能，并且石墨烯和Bi-2223均生长为片状微结构，因此石墨烯纳米粒子作为添加剂非常有吸引力。研究小组使用 X 射线衍射（XRD）检查了分别含有 0.3 wt.%、0.5 wt.%和 1.0 wt.%的石墨烯纳米粒子的不同 Bi-2223 样品的相形成和晶体结构，并将它们与纯样品进行了比较。他们还使用一种称为交流电敏感度测定法（ACS）的方法研究了样品的临界温度。

图1. 纯 Bi-2223 样品在烧结过程之前的 TGA（实线）和 DTG（虚线）。

图2. 添加 0.0 wt.%、0.3 wt.%、0.5 wt.% 和 1.0 wt.% 石墨烯的 Bi-2223 样品在烧结过程之前和之后的 XRD 分析。

XRD 结果显示，样品中主要为Bi-2223 相和Bi-2212相（另一种BSCCO）。另外，对于含有0.3 wt.%和0.5 wt.%石墨烯的样品，由Bi-2223相构成的体积分数较高，而对于含有1.0重量百分比石墨烯的样品，由Bi-2223相构成的体积分数稍低。此外，ACS 分析表明，起始临界温度、锁相温度和耦合峰值温度（超导能力的衡量标准）随着石墨烯添加量的增加而降低。

图3. 含有 0.0 wt.%、0.3 wt.%、0.5 wt.% 和 1.0 wt. 的样品 Bi-2223 的实部和虚部相对于温度的归一化磁化率图。

图4. 40 K 时自场的 VI 曲线。

图5. 临界电流密度随石墨烯添加量重量百分比的变化。

有趣的是，石墨烯含量为 1.0 wt.%的样品表现出最高的临界电流密度，并具有最适合形成 Bi-2223 超导体的微观结构。Miryala 教授强调说：“这些结果表明，添加石墨烯纳米颗粒作为杂质，有可能提高 Bi-2223 超导体的电流密度。”

具有增强电流密度的 Bi-2223 超导体具有促进不同领域发展的潜力，例如 MRI 成像、发电和配电、可再生能源集成、运输和航空航天、粒子加速器、电子和量子计算、环境可持续性、工业和制造工艺以及教育和科学推广。