煤基石墨烯及復合材料在儲能領域的應用

姚亞麗，馬利利，王嘉鑫，朱雪丹，彭磊，何金梅，李侃社，屈孟男

（西安科技大學化學與化工學院，陜西 西安 710054）

石墨烯是一種新興的二維碳納米材料，因其具有低質量密度、大比表面積、優異導電性和高柔韌性等優點被廣泛應用于能量存儲與轉換、電子器件、傳感器、生物醫學等領域。當前制備石墨烯的原料主要是天然石墨或者CH、CH等含碳氣體，成本較高，且不利于石墨烯的大規模生產。與此相比，作為高碳含量的煤，儲量豐富、價格低廉、芳香基種類豐富，且具有長程無序、短程有序的結構特征，成為開發石墨烯或氧化石墨烯的理想碳源。在我國，煤炭利用以高污染、高能耗、低效率為主要特點，其中超過50%的煤炭直接用于工業鍋爐和窯爐的燃燒，造成嚴重的環境污染，而通過煤化工技術將煤炭轉化為氣態或者液態等低污染能源利用的只有不到20%，因此我國煤炭消耗機制急需轉型。將煤炭加工成具有廣泛應用前景的高附加值煤基新型碳材料產品，尤其是煤基石墨烯及復合材料，對煤炭清潔高效利用、行業轉型升級具有重要意義。

隨著人們對能源需求的不斷增加，傳統的常規能源已經不能滿足人們的需求，因此開發具有較大儲能能力的材料成為科研工作者的研究熱點。對于儲能元件來說，電極材料的優劣嚴重影響其儲能性能。碳納米管、碳量子點、石墨烯等碳材料由于其電導率高、比表面積大、化學穩定性好等優點在儲能材料中具有廣泛的應用，尤其是石墨烯，在超級電容器、鋰離子電池、鈉離子電池等儲能領域表現優異。本文依據近十年來的文獻報道，著重從以煤及衍生物為原料制備煤基石墨烯及復合材料的方法和在儲能領域的研究進展方面進行分析和探討，并對以后煤基石墨烯及復合材料的制備和應用提出一定的思路見解和展望。

1 煤基石墨烯及其復合材料的制備

1.1 煤基石墨烯的制備

煤可以分為低變質程度和高變質程度的煤，變質程度不同，制備石墨烯的方式也有所不同。但是由于煤的形成成因較為復雜，含有大量的雜質，因此需要對原煤進行初步的篩選、去雜質以及熱處理之后再根據原煤結構的不同通過合適的方法制備成石墨烯，其制備方法主要分為熱解-化學氣相沉積法（CVD）和石墨化-化學氧化還原法兩類。

1.1.1 熱解-化學氣相沉積法

對于變質程度較低的煤種，如煙煤和褐煤等，由于含有大量的脂肪烴和官能團，片層結構疏松，孔隙發達，可以將其在一定溫度下裂解成含碳氣態物質，然后將氣體與基底（主要是銅和鎳）相互接觸并在基底的作用下發生催化反應，首先形成雜化碳膜，然后再形成石墨烯結構域，最后在基底表面沉積形成石墨烯。該方法制備出的煤基石墨烯薄膜具有層數少、面積大、質量高等優點，在電化學儲能及電子器件等領域應用前景廣闊。

Botte等以豐富廉價的Wyodak次煙煤為固體碳源，高溫熱解后通過CVD 法合成了大小均勻、透明的具有柔性的石墨烯薄膜并研究了其生長機制，提出其生長機制主要包括三部分：一是在合成初期銅催化反應生成碳膜，二是在氫催化下碳膜石墨化，形成石墨烯域，最后是這些域結合在一起形成石墨烯膜。該研究有助于未來以各種煤（無煙煤、煙煤等）為碳源生產高質量石墨烯薄膜。該研究組還采用相似的方法以煤焦為固體碳源合成了少層石墨烯薄膜。此外，僅僅通過熱解法也可以將煤轉化為多層石墨烯薄片。Yu 等以無煙煤為碳源在熔融鈰（Ce）上生長出了多層石墨烯片并研究其生長機理。該方法是將Ce 粉和無煙煤在惰性環境中混合升溫至Ce 的熔點，然后無煙煤在熔融Ce中進一步分解形成碳原子、多環芳香族化合物，隨著反應的進行，碳原子在熔融Ce 中逐漸飽和，同時多環芳香族化合物成為石墨烯生長的核心并作為連接石墨片的橋梁，通過創建更多的活性位點使過飽和的碳原子與多環芳香族結合形成更大的石墨烯薄片。該方法制備的石墨烯質量高、比表面積大，但是用到了活潑稀土金屬鈰，需要在惰性氛圍中進行試驗，否則會有一定的危險性。

煤不僅可以直接用作制備石墨烯的碳源，還可以通過提取煤中的有機物制備石墨烯。Li等以安徽淮南低階氣煤為原料，從煤中提取精苯制備石墨烯。具體操作步驟如圖1所示，其過程分為：煤粉干燥蒸餾生產煤焦油，煤焦油反復蒸餾得到粗苯，粗苯反復蒸餾得到精苯，將精制苯收集到液池中，CVD 法生長單層石墨烯。該方法用液態苯代替甲烷等傳統碳源生產出高質量的單層石墨烯，成本較低且高效、安全，為探索未來低溫制備石墨烯提供了一定的可能性，而且還可以通過改變生長條件更為靈活、方便、經濟地控制單層、多層石墨烯的生長。

圖1 煤為碳源制備石墨烯[13]

煤焦油瀝青（CTP）是煤焦油（如輕油、酚油、萘油、洗油、蒽油）蒸餾提取的殘渣，占煤焦油總量的50%～60%，基本結構是在芳香核上形成一個多芳香烴核和幾個烷基側鏈或雜原子官能團。此外，多芳香烴是明確界定的石墨片，與石墨中六邊形排列的碳原子相比，多環芳烴分子之間的單鏈或橋鍵容易斷裂形成活性自由基使之具有制備石墨烯的潛質。Lin 等以CTP 為原料，在鋁粉的存在下僅僅通過熱解后酸洗即制備出了具有晶體結構、C/O 摩爾比為60∶1、平均厚度為3.95nm 的石墨烯納米片。但是該方法易造成石墨坩堝腐蝕嚴重，石墨納米片結塊，因此該研究組以納米AlO為填料代替鋁粉通過類似的方法制備蓬松型納米石墨烯。此外，也可以將熱解與其他方法相結合以CTP為碳源制備石墨烯。Qiu研究組以CTP為碳源通過熱解后采用模板策略結合原位活化技術制備了3D 石墨烯納米膠囊（IGNCs），如圖2 所示。首先，將CTP 加入KOH 和MgO 顆粒的混合物中，加熱液化后的黏性CTP 與KOH 粒子一起覆蓋在堆疊的3D納米MgO 粒子表面，形成由多種多環芳烴分子組成的3D 相互連接的薄膜網絡。隨著熱處理時間的延長，苯環上的C—H 鍵和苯環側鏈上的C—C 鍵發生斷裂，形成活性自由基，在模板表面聚合和芳構化。最后，用HCl溶液和蒸餾水洗滌去除模板，得到具有豐富離子吸附活性位點的IGNCs。這項工作使CTP在低溫下使用原位活化技術合成IGNCs成為可能，也使得煤炭衍生物得到更高效的利用。

圖2 以多環芳香分子為構建塊的CTP制備三維IGNCs的示意圖[19]

1.1.2 石墨化-化學氧化還原法

隨著煤變質程度的加深，煤分子結構中的芳香環深度縮合，芳香核尺寸變大，脂肪層結構減少，含氧官能團含量降低。因此，針對變質程度較高的煤種，可以通過高溫熱處理或者催化石墨化處理，使煤中芳香結構單元發生脫氫環化反應，逐漸融合成為大尺寸的石墨微晶，實現煤分子結構由“短程有序”向“長程有序”的轉變，再經過化學氧化，輔以化學還原、微波還原或氫等離子還原等手段實現煤基石墨烯的制備。該方法制備的煤基石墨烯通常情況下具有一定的結構缺陷，可以利用這一特點對其進行改性進而提高其應用范圍。

唐躍剛等以云南小發路無煙煤為原料進行脫灰處理后在石墨爐中石墨化，得到煤基石墨，然后再采用改良的Hummers 法制備煤基氧化石墨烯。其譜學表征結果說明，高溫石墨化可改善無煙煤的微晶結構，使晶粒尺寸增加，有利于后續氧化插層。而氧化反應產生大量含氧官能團，增加其缺陷度及層間距，隨后的還原反應使氧化石墨烯表面含氧官能團大幅度減少，缺陷度減小，芳構碳的有序度增加。Yu 研究組以太西無煙煤為原料，用石墨化結合液體氧化-快速熱還原策略制備了多孔石墨烯，如圖3所示。該方法是在2800℃氬氣氛下將煤中的芳香單元大分子結構石墨化，形成高度有序的類石墨層狀結構，然后通過改性的Hummers 法、快速熱還原制備出具有獨特微觀結構的多孔石墨烯。雖然該方法主要應用于高階煤，但是通過該方法也可以將低階煤轉化成石墨烯。Wahab等以粉河盆地低階煤為原料，采用替代硝酸法合成了氧化石墨烯納米材料并且其效果可與改進的Hummers法相媲美。

圖3 煤基石墨烯的制備流程[21]

研究者們通常還會采用將氧化還原法與其他方法相結合的方式制備煤基石墨烯。Qiu等以太西無煙煤為原料，經過催化石墨化、化學氧化和介質阻擋放電等離子體輔助脫氧等方法合成具有層狀結構的石墨烯及石墨烯貴金屬復合材料。Cao 等通過改性Hummers 法與水熱法相結合將山西的煙煤制備成氧化石墨烯氣凝膠（圖4）。即將煤基氧化石墨烯懸浮液與一定量的羧甲基纖維素（CMC）混合超聲分散，再加入一定量的乙二胺（EDA）超聲處理后轉移到反應釜中120℃水熱處理10h 即得到CGO水凝膠，再將水凝膠在70℃下冷凍干燥48h制備CGO 氣凝膠。該方法為一步水熱法，制備簡單，得到的氣凝膠具有超低密度、高機械強度、三維互聯多孔結構、豐富的石墨烯骨架缺陷及含氧官能團，可以用于染料的吸附等方面，擴大了其應用范圍。

圖4 煤基石墨烯氣凝膠合成路線示意圖[24]

前人研究表明，煤顯微組分在煤的石墨化和利用中也起著重要作用。鏡質組和惰質組的納米結構和化學結構的不同會導致石墨化的差異性。Wang 等以富惰質和富鏡質煤為前體，在3000℃下石墨化得到石墨微晶核，然后以此為原料，采用Hummers法制備了石墨烯納米片，該研究表明在熱處理過程中石墨烯納米片可以很好地剝落成若干褶皺層。此外，冶金工業的副產物也可以進行再次利用從而提高其附加價值。Granda等將冶金工業的液體副產物（主要為浸漬和黏結劑級焦油及蒽油）為前體，通過將其石墨化、氧化及剝落等過程成功合成了氧化石墨烯材料。研究發現該石墨烯材料的薄片大小及剝落率取決于其母體中石墨的晶格大小，研究還發現黏結劑級焦油中的喹啉不溶離子也會改變石墨的氧化機制，從而降低氧化石墨烯的收率。該研究為將不同類型的工業煤液體殘渣轉化為高附加值產品（如石墨烯）提供了一定的指導，從而加強了焦炭行業作為石墨烯材料大規模供應的地位。

1.1.3 其他方法

除上述常用的兩種方法外，還可以通過剝離法、真菌降解法、電弧放電法、激光刻蝕法等方法制備煤基石墨烯。

剝離法是石墨烯片層在一定條件下剝離形成石墨烯，也是煤基石墨烯常用的制備方法之一。Novoselov等首次利用機械剝離法從石墨中剝離出性能優異的單層石墨烯，此后各種剝離法發展迅速。Franco等在研究煤粉處理工藝對石墨烯產率的影響時通過液相剝離法將無煙煤轉化為氧化石墨烯，還原后得到煤基石墨烯材料。Zhamu等將含有六方碳原子域和/或六方碳原子夾層的焦炭或煤粉分散在添加表面活性劑的液體介質中，使用超聲波剝離法得到了石墨烯薄片。

真菌降解法也可以用來制備煤基石墨烯。Balachandran用一種簡便的真菌增溶法（黑曲霉浸出）從低品位煤中提取混合相碳結構，可以觀察到石墨烯層的堆積。煤的生物浸出不僅可以提高煤的含碳量，還可以同時消除煤中的伴生礦物。此外，還可以通過電弧放電法和超臨界流體法制備煤基石墨烯且可以通過改變超臨界溶劑控制其長徑比。激光刻蝕法也可以用來從煤中直接制備石墨烯。Lin等以煤為原料，通過CO激光劃片技術將煤中的脂肪鏈蒸發掉并修復芳香族碳中的缺陷，從而制備了層間距只有0.34nm 的石墨烯薄片。該方法將天然煤直接升級為高價值的石墨烯基材料，在反應條件、時間和成本上均優于傳統方法，為多功能煤基石墨烯的發展提供更多的商業機會。

1.2 煤基石墨烯復合材料的制備

將煤基石墨烯與其他物質復合可以呈現出許多優異的特性。如以石墨烯為載體負載納米粒子，可以提高這些粒子的催化性能和傳導性能，將其添加到高分子中，可以提高高分子材料的機械性能和導電性能。按添加第二組分的不同，可將石墨烯復合材料分為煤基石墨烯-納米粒子復合材料、煤基石墨烯-聚合物復合材料和煤基石墨烯-碳基材料復合材料。

1.2.1 煤基石墨烯-納米粒子復合材料

納米粒子由于其獨特的體積效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應引起科學工作者的極大興趣，但是尋找合適的載體成為納米粒子廣泛應用的一個難題，而石墨烯由于其特殊的物理化學性質成為納米粒子的潛在載體。但是石墨烯片層由于范德華力容易團聚，而石墨烯間的納米粒子正好可以避免這一現象的發生，因此將納米粒子與石墨烯復合是一種行之有效的方法。

TiO納米粒子具有較好的化學穩定性、熱穩定性、超親水性，可與石墨烯摻雜制備復合材料增大其應用范圍。Lyu等直接將TiO納米顆粒加入到含有填料和交聯劑的煤基石墨烯懸浮液中，經過水熱處理、冷凍干燥后得到TiO/煤基石墨烯氣凝膠產品，所制備的氣凝膠具有高機械強度、超低密度的三維多孔結構，且銳鈦礦型的TiO納米粒子均勻分布在交聯碳骨架中。TiO納米粒子不僅可以直接加入到煤基石墨烯懸浮液中，還可以通過合成的方法嵌入到煤基石墨烯中。邢寶林等以褐煤為碳質前體，以四氯化鈦為鈦源，通過改進的Hummers法和水熱合成法制備了具有介孔特征的煤基石墨烯/TiO復合材料。

除了TiO納米粒子外，其他過渡金屬氧化物納米粒子也可以與煤基石墨烯摻雜從而提高其性能。Qiu、Zhang 等以純化的太西無煙煤為原料，利用催化石墨化結合改進的Hummers 法制備了煤基石墨烯前體，并將其與MnO混合，通過低溫等離子體還原制成MnO/煤基石墨烯納米復合材料。除此之外，鐵的金屬氧化物納米粒子也常常用于摻雜。彭喜月等采用具有低軟化點的煤瀝青作為碳源，原位包覆FeO納米粒子制備FeO/煤瀝青基碳復合材料，該煤瀝青碳呈類石墨烯狀包裹在FeO納米粒子周圍，包覆前后所得產物的尺寸變化不大，為200～400nm。

此外，金屬單質納米粒子也可以與煤基石墨烯復合。Wang 等以無煙煤為原料，采用催化石墨化、電化學剝離和原位功能化等方法合成了西瓜狀金屬鈷/石墨烯雜化材料，具體如圖5 所示：首先是將無煙煤細粉研磨后在氯化鐵和硼酸的輔助下進行石墨化，然后在電解液（[BMIm][CoCl]）中脫落并同時與Co 物相進行原位官能化，最后將含有剝離的功能化石墨烯薄片進行干燥退火后即可得到包裹西瓜狀金屬鈷的無定形石墨烯材料。

圖5 煤制西瓜狀金屬鈷/類石墨烯納米碳雜化物的制備示意圖[47]

由此可見，通過物理或化學反應將煤基石墨烯與氧化物或單質納米粒子復合，不僅可以表現出納米粒子自身的優越性能，還能改善煤基石墨烯的自團聚現象，提高其應用性能。

1.2.2 煤基石墨烯-聚合物復合材料

作為碳材料家族獨特的一員，石墨烯由于其獨特的結構和性能，可以作為添加材料或載體與聚合物進行復合從而改善聚合物的熱性能、力學性能和電性能等，具有相當大的應用價值。

Ojha 等利用煤合成了表面含有OH、CH、COOH的水溶性石墨烯并與聚乙烯醇（PVA）通過旋涂法在不銹鋼基材上制成煤基石墨烯薄膜。張亞婷等以煤為原料，通過高溫處理結合化學氧化和等離子體技術制備了煤基石墨烯，再以煤基石墨烯和聚丙烯腈（PAN）為前體，利用石墨烯的高導電性、電子遷移率等性能，采用靜電紡絲法制備了碳納米纖維/石墨烯復合材料。該研究組還以太西無煙煤為原料，采用催化熱處理、改良Hummers氧化等方法，制備煤基氧化石墨烯（CGO），進而以CGO 和聚苯胺（PANI）為前體，采用水熱自組裝法，制備得到PANI/石墨烯宏觀體復合材料。納米尺寸的PANI均勻地鑲嵌在三維網狀CGO中，使之邊緣卷曲，褶皺增多，從而增加比表面積和活性位點，當作為超級電容器電極時，其電化學性能大大提高。

1.2.3 煤基石墨烯-碳基材料復合材料

石墨烯除了能夠和納米粒子、高聚物復合外，還可以與其他碳基材料（石墨、硬碳、碳納米管、富勒烯等）組裝形成復合材料，這些碳基材料可以相互組合而呈現出一些優越的性能。

Li研究組采用水熱法制備了三維煤基石墨微晶/石墨烯（3D-CGC/Gs）復合材料。具體方法是：將山西晉城無煙煤處理成脫灰無煙煤，再經混合酸處理離心分離得到氧化煤基石墨微晶粉；將微晶粉粉末加入到氧化石墨烯分散體中，在高壓反應釜內水熱后冷凍干燥即得到產品。將此復合材料應用到鈉離子電池中，表現出更好的倍率性能和循環穩定性，這一部分將在2.3節中具體講述。

總之，不管是將煤基石墨烯與納米粒子復合，還是與聚合物或者其他碳基材料復合，在一定程度上都可以結合兩者之間的優勢從而表現出更為優越的性能。但是將煤基石墨烯與其他碳基材料復合的研究并不多，因此研究者們可以根據不同煤基碳材料的特點制備出性能符合不同要求的復合材料。

2 煤基石墨烯及復合材料在儲能領域的應用

近年來，由于能源危機和各個領域對能源需求的增加，具有高儲存能力器件的發展成為科學界研究的熱點，而電極材料是影響其性能的關鍵因素。石墨烯作為常見的負極材料，由于其具有比表面積大、電導率高、化學穩定性好、額外的鋰離子存儲空間等優異的物理化學性能，可以顯著提高儲能元件的電化學性能。但是石墨烯的聚集效應、較低的初始庫侖效率和較高的晶化/析離電位限制了其商業應用，因此將石墨烯與其他物質復合制備石墨烯復合材料可以有效改善上述情況的發生。作為儲藏豐富的煤炭資源，通過物理化學方法直接利用其制備出高附加值的石墨烯及復合材料并應用于儲能領域具有重要意義。

2.1 超級電容器

超級電容器是一種新型的高性能儲能器件，具有規模大、功率密度高、充電時間短、環境友好等優點，是開發可替代可再生能源的重要平臺，在電動汽車、記憶備份系統和工業電源存儲中均得到廣泛應用。而電極材料是影響超級電容器性能的關鍵因素，開發具有更大容量、更高功率密度和更短充電時間的電極材料是當前研究人員面臨的挑戰。碳納米管、碳氣凝膠、石墨烯等碳衍生物因其高比表面積和導電性，較高的能量密度而被廣泛用作電極材料，尤其是石墨烯及其衍生物是快速儲存和釋放能量的理想候選材料。

近年來，煤基石墨烯作為超級電容器的高效電極材料得到廣泛的研究。Ojha等通過旋涂法在不銹鋼基材上制備了煤基石墨烯薄膜，并將此用作超級電容器的電極材料并研究其性能，如圖6 所示。為優化其超級電容性能，該研究組對其在不同電解質溶液（NaOH、KOH、NaSO和NaSO）的電化學性能進行了測試，研究結果表明該水溶性微尺寸石墨烯在1mol/L NaSO水溶液中表現出最好的比電容值且具有較好的循環穩定性[在掃描速率為5mV/s時，煤基石墨烯薄膜在1mol/L NaSO電解液中的比電容（SC）為277F/g 且表現出長周期穩定性，即在電流密度為10mA/g的情況下，2000次循環后SC仍保持在91%]。等效電路模擬結果表明，其較低的電荷傳遞電阻值歸因于石墨烯電極中離子/電子的快速傳遞和離子的快速吸附和解吸速率。

圖6 煤基石墨烯薄膜作為超級電容器負極[62]

二維石墨烯將高比表面積和高電導率結合，具有提高超級電容器電極材料性能的潛力，但是石墨烯納米片之間的強范德華相互作用使之易于堆疊，大大降低了比表面積，這種現象可通過在石墨烯上制造納米孔、缺陷或間隔物的方法進行改善。3D 石墨烯因其獨特的多孔網絡結構、大比表面積以及優異的光學、電學、熱學和力學性能，有望成為雙層電容器電極材料。Qiu研究組以石墨化煤為原料，采用液體插層/氧化、熱剝離和化學活化相結合的方法制備了具有高比表面積（2428.6m/g）和大孔隙體積（1.82cm/g）的三維結構的互聯多孔石墨烯。所制備的煤基石墨烯材料在水和離子液體電解質中表現出較高的能量密度和功率密度以及優越的循環穩定性。此外，該煤基石墨烯在EMIMBF離子液體電解質中的能量密度高達79.4Wh/kg，遠遠高于近年來報道的大多數碳基超級電容器。由此可見，通過構筑比表面積大、微孔隙發達的微納米級3D 煤基石墨烯，可以有效改進其作為超級電容器電極的電化學性能，而且這一策略為利用低成本煤炭制備具有三維多孔導電網絡的碳材料開辟了一條新途徑。

CTP中的多環芳香烴分子之間的單鏈或橋鍵容易斷裂形成活性自由基，因此可以通過聚合反應在納米金屬氧化物模板（如ZnO）表面重新組合成三維薄膜狀的聚合物，通過退火將薄膜狀聚合物進一步轉化為三維互聯石墨烯納米膠囊，該方法具有成本低、產碳量大的優點。Qiu 等采用此方法以CTP為碳源制備出了如圖7所示的具有導電和多孔性質不相容的3D 互聯石墨烯納米膠囊（IGNCs），該微膠囊具有互連的薄網絡、高電子傳導互聯網絡、快速離子傳遞的短層次孔隙、豐富的離子吸附活性位點等優點。將此作為超級電容器的電極，發現具有顯著增強的電化學特性，在6mol/L KOH 水溶液電解質中，由3D IGNCs 制備的超級電容器具有良好的倍率性能和循環穩定性。本研究為利用廉價的多環芳烴分子高效制備三維互聯石墨烯材料開辟了一條道路，為石墨烯作為替代現有多孔碳的儲能材料的實際應用提供了方法。此外，該研究組還利用類似的方法以CTP為原料制備了具有多孔外殼、高比表面積的三維空心多孔石墨烯球并將其作為超級電容器的電極材料得到了類似的結論。

圖7 3D IGNCs掃描電鏡圖及透射電鏡電子傳導示意圖[69]

煤基石墨烯復合材料，可以通過摻雜物的特點改善煤基石墨烯的缺點，從而提高其電化學性能。張亞婷等以煤為原料制備了碳納米纖維/石墨烯復合材料（PM-CG）并將其作為超級電容器的電極材料。通過電化學工作站研究其電化學性能，結果表明所制備的PM-CG 復合材料在6mol/L KOH電解液中的比電容可達225.1F/g，是同樣條件下純PAN 碳納米纖維比電容的2.57 倍。該組制備的聚苯胺/煤基石墨烯宏觀體復合材料用作超級電容器的電極時其電化學性能也優于不添加聚苯胺的煤基石墨烯。Zhang等制備了MnO/煤基石墨烯納米復合材料并將其作為超級電容器電極，其電容最高為281.1F/g，為不含MnO的煤基石墨烯的261.2%。由此可見，經過摻雜納米粒子、聚合物后的煤基石墨烯在超級電容器應用方面表現出更高的電化學性能。

2.2 鋰離子電池

鋰離子電池是鋰離子在正負極間來回移動實現充放電且可以多次使用的電池，具有能量密度高、快速充放電、循環性能好、使用壽命長等優點，在高科技、高附加值產品中應用非常廣泛。電極是鋰離子電池的核心原件，尤其是負極材料的開發，對其性能具有決定性的影響。常見的鋰離子電池負極材料主要有碳/硅材料、過渡金屬氧化物和鈦酸鋰等。石墨由于導電性能好、片層結構完整，利于鋰離子嵌入和脫嵌而成為商業中使用最為廣泛的電極材料，但是石墨容量較低，而石墨烯又具有比表面積大、導電性高、機械性能好等優點，因此將石墨烯及復合材料代替石墨成為鋰離子電池負極材料成為研究者們的關注對象。

石墨烯可以單獨作為鋰離子電池負極，形貌結構不同的煤基石墨烯的電化學性能不同。Yu 研究組制備了一種具有微-介-宏觀層次多孔結構的高度連續的波紋狀煤基石墨烯納米片，該納米片具有高比表面積和大孔容，以及大量的結構缺陷和納米孔等微觀特征，這為鋰離子的存儲提供了足夠的活性位點，并為鋰離子和電子的快速傳輸提供了有利的途徑。當作為鋰離子負極材料時，該多孔石墨烯在0.1的電流密度下表現出較高的可逆容量（770mAh/g），并且表現出出色的倍率性能及循環性能。

石墨烯的層數也會影響其電化學性能。Guo等在熔融鐵存在的情況下直接將無煙煤轉化為多層石墨烯薄片并通過調整起始反應物中鐵與無煙煤的比例，相應地控制石墨烯片的形貌和層數。當鐵與無煙煤的比例為10∶1左右時，可獲得2～4層的多層石墨烯薄片。將其作為鋰離子電池的負極，發現所制備的多層石墨烯具有良好的電化學性能。該研究組還以鎳為催化劑，在相對較低的溫度下將無煙煤和半焦轉化為開殼中空多層石墨烯球，如圖8所示。從圖中可以看到所制備的多層石墨烯球在0.1A/g 時具有389.8mAh/g 和401.4mAh/g 可逆容量，表明這種中空多層的石墨烯球與常規石墨相比，具有更強的可逆容量、更高的速率和更好的循環性能。

圖8 多層石墨烯球的制備與電化學性能[73]

過渡金屬氧化物也是鋰離子電池負極材料重要的一部分。但是單純的過渡金屬氧化物存在循環壽命短和容量衰減快的問題，達不到預期的效果，因此將石墨烯與金屬氧化物復合改性，提高材料性能也是當前的研究熱點。Zhang 等制備了一種新型高度有序的三維納米花狀α-FeO/煤基石墨烯（α-FeO/CG）復合材料并作為鋰離子電池的負極。該復合材料具有獨特的介孔形貌、高效的導電網絡及快速的電子轉移特性，均有助于提高電化學性能。研究表明該復合材料具有超高的比容量和優越的循環穩定性，其原理如圖9所示。該研究組還以寧夏太西無煙煤為碳質前體構建了不同形貌的煤基石墨烯/FeO自支撐復合材料作為鋰離子電池負極，將其出色的儲鋰性能歸因于分級自支撐負極的宏觀設計提供了穩定的空間結構和通暢的Li傳輸通道，能夠有效改善FeO充放電過程中的體積變化，加速鋰化/脫鋰動力學。彭喜月等研究FeO/煤瀝青基碳復合材料作為鋰離子電池負極材料的電化學性能時也得到了類似的結論，該煤瀝青碳呈類石墨烯狀包裹在FeO納米粒子周圍，避免了充放電過程中FeO體積膨脹引起的聚集同時增強了FeO納米粒子的導電性，使其表現出更高的可逆容量、倍率性能以及良好的循環穩定性。

圖9 α-Fe2O3/CG在充放電過程中的電荷轉移機制示意圖[44]

石墨烯及復合材料在鋰離子電池正極方向也有一定應用。目前鋰離子電池的正極材料主要為LiCoO、LiMnO和LiFePO等不良電子導體，極大限制了電池的充放電循環和倍率性能，將石墨烯及復合材料應用到正極上，可以提高電池正極的導電性及電化學性能。石墨烯既可以直接作為鋰離子電池的正極，也可以作為導電劑加入到正極材料中。熊東彬合成了一系列功能化石墨烯材料并探究其應用于鋰離子電池正極時不同含氧官能團和異質原子對儲鋰特性的影響。鄧凌峰等制備了LiMnO/石墨烯復合材料并將其用作鋰離子電池正極，結果表明石墨烯可以減少LiMnO顆粒與電解液的直接接觸并能連通不同的LiMnO顆粒團，形成三維納米級導電網絡從而提高正極電化學反應活性。但是由于煤結構的復雜性，在此基礎上制備的煤基石墨烯作為電池正極的研究較少，這也為科研工作者以后的工作方向提供了一定的思路。

2.3 鈉離子電池

與鋰離子電池相似，鈉離子電池因其具有高能量密度、資源儲量高、低成本和環境友好等優點，得到研究者們的大量關注。雖然鈉資源豐富且來源廣泛，但是鈉離子半徑更大，原子質量更大且標準電位低于鋰，這些缺點又限制了鈉離子電池的發展，主要集中在鈉離子電池實際應用中起關鍵作用的負極材料的制備。具有優異導電性、成本低廉、電化學穩定性好的碳材料促進了鈉離子電池的快速發展，將資源豐富的煤加工成具有良好電化學性能的石墨烯碳材料并應用到鈉離子電池方面，是當前的研究熱點之一。

由于煤結構的復雜性，制備的煤基石墨烯往往具有較多的缺陷結構。莊志恒通過無煙煤制備了具有褶皺和缺陷結構以及高比表面積的煤基石墨烯并將其作為鈉離子電池的負極材料。通過自制的三電極系統研究其電化學性能時發現該負極材料具有較好的倍率性能及大電流密度下優異的可逆容量，并將其歸因于在煤基石墨烯材料表面固體電解質界面（SEI）膜的形成以及充放電循環過程中石墨烯片層的自發堆疊。

Li等制備了三維煤基石墨微晶/石墨烯復合材料并將其作為鈉離子電池負極研究其電化學性能。該三維結構中由石墨微晶引起的各種高含量含氧官能團以及大量的缺陷結構為吸附Na提供了豐富的反應位點。通過計算表明該材料具有較高的電容貢獻率（50.5%～83.5%），說明在大電流密度下，碳表面誘導的氧官能團能夠通過表面氧化還原反應快速捕獲Na進而具有良好的倍率性能。當其作為鈉離子電池陽極時，在不同的電流密度下（0.05A/g、0.1A/g、0.2A/g、0.5A/g、1A/g、2A/g）經過350 次電化學循環以及2A/g 的大電流密度下經過2000 次循環后仍然展現出較好的可逆比容量（254mAh/g、101mAh、h/g），表明該復合碳材料還具有良好電化學穩定性，也進一步說明煤基石墨烯在鈉離子電池材料方面具有一定的應用潛力。

鈉離子電池的起步較晚、發展較慢、研究較少。雖然具有諸多優點的碳材料作為鈉離子電池負極在一定程度上提高了鈉離子電池的儲能能力，但是其負極材料的制備大多比較復雜，成本較高，不能大規模制備。如果能將資源豐富的煤經過物理化學方法處理得到附加值較高的石墨烯，提高其應用性能，將可以有效緩解這一現狀。

3 結語

世界煤炭資源豐富，作為一種具有獨特大分子結構的高碳資源，利用不同變質程度的煤及其衍生物構建煤基碳材料，尤其是具有較好電化學性能的石墨烯及復合材料更是前景廣闊。但是，鑒于煤分子結構的復雜性，現階段煤基碳復合材料在儲能領域的研究還相對薄弱，煤基石墨烯的制備、煤基石墨烯的表面修飾與改性、煤結構與石墨烯的構效關系以及在儲能領域的應用等方面仍然存在以下幾個問題。

（1）當前煤基石墨烯的制備方法較為傳統且復雜，尤其是需要對煤進行預處理，增加了成本支出。此外，由于煤雜質含量較多造成煤基石墨烯質量低等缺點，因此，深入開展低成本、方法簡單的合成技術以制備大規模、高質量的煤基石墨烯非常重要。

（2）煤的大分子結構非常復雜，致使以煤為原料得到的煤基石墨烯結構上存在天然的缺陷，如何更好地消除缺陷或者利用具有缺陷結構的石墨烯并與其他材料復合，制備具有多功能的復合材料依然需要進一步研究。

（3）不同變質程度的煤得到的煤基石墨烯表面結構特點及化學特性不同。如何從分子工程角度理解不同變質程度的煤到石墨烯的合成演化過程，采用量子化學計算方法揭示演化特性“遺傳”規律，達到煤基石墨烯結構可控、性質可控仍需要深入探索。

（4）石墨烯的導電性能好、比容量大，但是用作儲能材料時使用壽命短、穩定性差，且制備成本居高不下，因此尋找高效的活性物質與之復合以改善其電化學性能，降低成本，達到規模化生產具有重要意義。此外，當前的煤基石墨烯及復合材料在儲能領域的應用研究還處于研發轉化階段，距產業化還有一定距離，如何將石墨烯技術與其他相關領域、學科更好地融合仍需學者們的進一步研究。

總之，如何高效利用豐富的煤炭資源，使之成為綜合性能好、經濟效益高、環境污染小的煤基石墨烯，甚至其他煤基碳材料，如碳納米管、多孔碳、碳纖維、活性炭等。改變煤炭利用方式，增加其附加價值，對提高煤炭綜合高效利用、促進煤炭行業轉型升級具有重要意義。