石墨烯的制備以及在化學(xué)儲(chǔ)能中的應(yīng)用

劉閆 王康康

摘 要：石墨烯的二維空間結(jié)構(gòu)十分獨(dú)特，因此在電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)方面性能優(yōu)異，是目前發(fā)現(xiàn)的一種巨大的應(yīng)用前景新潛力材料。本文主要介紹了石墨烯的制備，以及石墨烯在儲(chǔ)氫、超級(jí)電容器、鋰離子電池以及鋰空氣電池等化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：石墨烯；制備；應(yīng)用

石墨烯是單獨(dú)存在的具有二維有序結(jié)構(gòu)的單層石墨片，具有許多特殊的性質(zhì)，比如：

1）具有很好的導(dǎo)電性能；

2）具有很好的傳導(dǎo)性能；

3）具有質(zhì)量輕、高化學(xué)穩(wěn)定性和高比表面積等優(yōu)點(diǎn)。

石墨烯材料正因?yàn)殡妼W(xué)、熱學(xué)、力學(xué)方面性能優(yōu)異，目前已廣泛應(yīng)用于太陽能電池、傳感器方面、納米電子學(xué)、高性能納電子器件、復(fù)合材料、場(chǎng)發(fā)射材料、氣體傳感器及能量存儲(chǔ)等領(lǐng)域。

1 石墨烯的制備

當(dāng)前，國內(nèi)外對(duì)石墨烯的制備方法很關(guān)注。最初，石墨烯的制備采用的是機(jī)械剝離法，即將石墨粘貼后再轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的硅片上。隨后通過不斷研究，出現(xiàn)了單晶金屬上的化學(xué)氣相沉積法、在惰性晶體上的晶體外延法[ 1 ]、利用微機(jī)械的微機(jī)械剝離法、氧化-還原法、在溶劑中進(jìn)行的溶劑剝離法以及溶劑熱法等。

制備過程中要綜合考慮石墨烯的成本以及應(yīng)用空間，目前較普遍的制備方法是氧化——還原法制備石墨烯。

2 石墨烯在化學(xué)儲(chǔ)能中的研究

2.1 石墨烯在儲(chǔ)氫中的應(yīng)用

氫能作為一種高效、清潔、資源豐富、可再生、熱效率高、"無碳"能源已得到國內(nèi)外的普遍關(guān)注，被譽(yù)為21世紀(jì)的能源[ 2 ]。從石墨烯發(fā)現(xiàn)至今，其是組成碳質(zhì)材料的基本單元。石墨烯相對(duì)于其它的儲(chǔ)氫材料，具有比普通材料更優(yōu)異的儲(chǔ)氫性能。正因?yàn)槿绱耍澜绺鲊荚诜e極進(jìn)一步發(fā)掘石墨烯的儲(chǔ)氫潛能[ 3 ]。

石墨烯在儲(chǔ)氫性能方面有一定的儲(chǔ)氫機(jī)理。石墨烯儲(chǔ)氫的關(guān)鍵與比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)以及加入的摻雜物等方面有關(guān)。因此，研究新方法用于制備石墨烯將會(huì)是石墨烯基儲(chǔ)氫材料發(fā)展的一個(gè)重要方向。

2.2 石墨烯在超級(jí)電容器中的應(yīng)用

近年來，用石墨烯作為電極材料的超級(jí)電容器也屢見報(bào)道。從中可以發(fā)現(xiàn)研究中使用的電極材料主要為過渡金屬氧化物（如Co2O3、RuO2）、導(dǎo)電高分子（如聚酯和聚亞胺）和比表面積比較碳基活性材料（如碳納米管、活性炭纖維）。將石墨烯和其他碳質(zhì)料相比很易發(fā)現(xiàn)石墨烯具有導(dǎo)電高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

正是因?yàn)槿绱耍┮约笆┗牧蠈?huì)成為電容器電池材料最不可小視的競(jìng)爭(zhēng)者[ 4 ]。石墨烯是公認(rèn)的制作具有高效，柔韌性好，體積小的超級(jí)電容器很有潛力的材料。

2.3 石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用

石墨烯是一種由石墨制備的新型碳質(zhì)材料，單層或者薄層石墨在化學(xué)電源里的應(yīng)用潛力也越來越受關(guān)注[ 5 ]。

研究發(fā)現(xiàn)，墨烯在低電位下可作為負(fù)極材料，有比容量高和充放電能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；在高電位下，石墨烯可作為高倍率正極材料使用。

石墨烯作為負(fù)極材料的充放電特征與低溫軟炭材料類似，若用熱還原石墨烯材料將會(huì)有相對(duì)更高的可逆儲(chǔ)鋰容量[ 6 ]。

在鋰電池體系中，限制其電池性能的重要因素是正極材料的導(dǎo)電性的強(qiáng)弱。加入導(dǎo)電性強(qiáng)的石墨烯，有利于Li+傳導(dǎo)；抑制了金屬氧化物的溶解和相變；保持了充放電過程中電極材料的穩(wěn)定性[ 7 ]。

因此將石墨烯引入到正極材料中，一方面提高電極的導(dǎo)電性；另一方面使電極材料活性表面積高，具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。

2.4 石墨烯應(yīng)用于太陽能電池透光電極材料

目前可應(yīng)用于透光導(dǎo)電極的材料為透光導(dǎo)電薄膜金屬氧化物膜系，如氧化銦錫（ITO）、氧化氟錫（FTO），俗稱導(dǎo)電玻璃[ 8 ]，導(dǎo)電玻璃在太陽能電池領(lǐng)域應(yīng)用居多。

導(dǎo)電玻璃在太陽能電池方面發(fā)展同樣存在缺點(diǎn)：

1）ITO里的金屬離子不穩(wěn)定，容易吸收紅外光譜還有熱穩(wěn)定性較差；2）導(dǎo)電玻璃應(yīng)用時(shí)，需要在其表面鍍一層增強(qiáng)其導(dǎo)電性鉑，增加了制備成本[ 9 ]。

石墨烯的用途之一是用于替代染料敏化太陽能電池（DSSC），以及有機(jī)聚合物太陽能電池（OPSC）等的透光導(dǎo)電極替代物。

石墨烯作為透光導(dǎo)電極材料的研究主要集中提高石墨烯薄膜的電性能、透光性等方面。通過科學(xué)家的不懈努力，具有這些優(yōu)異性質(zhì)的石墨烯將會(huì)更廣泛應(yīng)用于太陽能電池透光電極材料。

3 結(jié)語

從學(xué)科領(lǐng)域來看，石墨烯的性能及制備是國內(nèi)外對(duì)石墨烯研究的熱點(diǎn)。石墨烯的研究方向也集中在納米材料的性能以及材料應(yīng)用方面等。通過對(duì)石墨烯的深入研究，將會(huì)發(fā)現(xiàn)其更加優(yōu)越的特殊性能。

石墨烯特殊性能的問世，將會(huì)對(duì)整個(gè)世界有重大的研究和指導(dǎo)意義。通過更加深入的研究發(fā)現(xiàn)，可以建造出一系列的新材料，比如：“太空電梯”纜線，光子傳感器，液晶顯示材料，新一代太陽能電池等等。

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