石墨烯制備及在電化學中的應用

陳章宜(北京市第161中學, 北京 100031)

石墨烯制備及在電化學中的應用

陳章宜(北京市第161中學, 北京 100031)

自從2004年石墨烯問世以來，因具備獨特的結構、導電性能和超大的比表面積等優點，被廣泛應用于各個領域，并且一直是全世界的研究熱點。此外，石墨烯所特有的良好的導電性和大的比面體積，石墨烯材料在電化學領域中的應用前景光明。本文綜述了石墨烯材料的制備方法，評述了其在超級電容器、鋰離子電池、燃料電池等電化學領域中應用研究，并展望了石墨烯材料的制備及其在電化學領域應用的未來發展前景。

石墨烯；制備；超級電容器；鋰離子電池；燃料電池

隨著環境和能源問題的日益突出，發展可再生能源已成為全世界急需解決的問題，發展先進的儲能技術是這個世界性問題的有效方法之一。石墨烯作為一種新型的碳材料，與其他石墨碳材料相比，石墨烯具有比表面積大、較高的電導性能和化學性質穩定等優點，因而成為電化學領域中最具開發前景的研究方向之一，在各種新型儲能電源中發揮重要作用。本文綜述了石墨烯材料的制備，并總結了其在電化學領域的應用研究進展，最后展望了石墨烯未來的發展前景。

1 石墨烯的制備方法

制備單層石墨烯，尤其是批次制備出性能穩定的石墨烯，以便系統地研究其化學和物理性質，是近來科學工作者研究的熱點。下面是常見的石墨烯制備方法及相應的研究。

(1)微機械剝離法 2004年，Novoselov等首次得到了單層石墨烯通過微機剝離方法，制備出來的石墨烯是穩定性良好，并且其宏觀尺寸和晶體質量有很大提高。雖然該方法操作簡單，不用太多繁瑣的實驗步驟，但所制備的石墨烯薄片生產效率較低，而且難以實現規模化制備單層石墨烯。

(2)外延生長法 高溫下加熱SiC單晶體，導致SiC表面的Si原子因高溫被蒸發而脫離其表面，因此留下的碳原子通過自組重構，從而實現在表面上外延生長石墨烯。該方法的優點在于制備出的石墨烯不僅具有與集成電路很好地兼容性，而且具有良好的均一性。

(3)化學氣相沉積 化學氣相沉積(簡稱CVD)是指在高真空度條件下，將碳氫化合物通入高溫加熱的具有催化活性的金屬基底如Cu、Pt、Ru等表面，通過加熱使吸附氣體催化脫氫，冷卻后使碳沉積在基底的晶面上，從而得到石墨烯片層。CVD法制備石墨烯的優勢在于質量較高，石墨烯容易分離，有望滿足在透明導電薄膜等方面的應用要求。

(4)氧化石墨還原法 氧化石墨還原法是目前制備石墨烯最熱門的方法之一。該方法將石墨與強酸(如濃硫酸和發煙硝酸等) 等強氧化劑在一定條件下反應，將其進行氧化處理，之后通過強力超聲形成單層或多層的氧化石墨烯，利用化學還原法或其它方法將氧化石墨烯( Graphene oxide，GO)還原為石墨烯。

2 石墨烯在電化學領域中的應用

(1)超級電容器 超級電容器作為一種綠色環保、安全可靠、以及循環可逆性的新型儲能器件, 其在眾多的領域有著廣泛的應用。與于其他碳材料相比，石墨烯的比表面積大、電導率高且化學結構穩定，更加適合作為超級電容器電極材料。蘇鵬等人以氧化石墨烯(GO)為原料, 尿素為還原劑和氮摻雜劑,并采用水熱法合成了氮摻雜石墨烯，電化學測試結果表明在3 A· g-1電流密度下恒流充放電比電容可達 184.5 F·g-1,經1200次循環后的比電容為161 .7 F·g-1，電容保持率為87.6%。

(2)鋰離子電池 電池電極材料的導電性對鋰離子電池的功率性能和能量密度具有很大的影響。石墨烯材料因優異的電子導電性，被廣泛應用到鋰電子電池的研究中。高云雷等以天然石墨為原料，通過氧化、快速熱膨脹和超聲分散等方法制備出石墨烯。結果表明氮摻雜石墨烯負極材料具有優異的電化學能和獨特的儲鋰機制。

(3)燃料電池 燃料電池是當今世界極具潛力的一種高效綠色清潔能源轉換系統。然而，燃料電池中貴金屬Pt基電極催化劑存在價格昂貴、穩定性差和存儲稀缺等缺點，因此在很大程度上限制了其的商業化應用。近幾年，以石墨烯為載體材料的氧還原電催化劑研究取得了重要進展，已經成為燃料電池陰極催化劑的研究熱點。魏子棟等人采用直接化學還原法，所制備的Pt/Gr催化劑具有較好的分散性，平均粒徑為3.1 nm，氧還原起始電位比商業Pt/C催化電極正移了24 mV。

3 展望

石墨烯以其優良的電學性能、大的比表面積和獨特的結構，在電化學領域表現出優于其它碳材料的應用性能，使其成為眾多科研工作者研究的熱點之一。然而，傳統的制備方法難以獲得大規模的高質量且結構完整的石墨烯層片，此缺點限制了石墨烯在相關應用領域的應用與發展。因此這就要求不斷改進現有制備工藝的水平，實現石墨烯的低成本、大規模、可控的制備。此外，隨著人們對石墨烯材料的深入研究以及制備方法的提高，近年來石墨烯材料在電化學領域的應用取得了很大的進展，并受到了廣泛的關注。通過科研工作者們的共同努力，充分證明了石墨烯材料在新型化學儲能電源中的應用前景是光明的。石墨烯材料是當今世界新材料發展中一個新的里程碑，對其進行深入的研究與開發將給許多領域的發展帶來巨大機遇。

[1] Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Electric field effect in atomically thin carbon films[J]. science, 2004, 306(5696): 666-669.

[2]張偉東,朱厚軍,趙書利.石墨烯的制備及其在電化學領域中的應用[J].船電技術,2013,33(1): 61-64.

[3]吳詩德,宋彥良,李超,等.石墨烯材料的制備及其在電化學領域的應用[J].材料導報,2011, 25(3A): 55-59.