石墨烯的制備以及在化學(xué)儲能中的應(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，以及石墨烯在儲氫、超級電容器、鋰離子電池以及鋰空氣電池等化學(xué)儲能領(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。

石墨烯材料正因為電學(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、場發(fā)射材料、氣體傳感器及能量存儲等領(lǐng)域。

1 石墨烯的制備

當(dāng)前，國內(nèi)外對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)儲能中的研究

2.1 石墨烯在儲氫中的應(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。石墨烯相對于其它的儲氫材料，具有比普通材料更優(yōu)異的儲氫性能。正因為如此，世界各國都在積極進(jìn)一步發(fā)掘石墨烯的儲氫潛能[ 3 ]。

石墨烯在儲氫性能方面有一定的儲氫機(jī)理。石墨烯儲氫的關(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是石墨烯基儲氫材料發(fā)展的一個重要方向。

2.2 石墨烯在超級電容器中的應(yīng)用

近年來，用石墨烯作為電極材料的超級電容器也屢見報道。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。

正是因為如此，石墨烯以及石墨烯基材料將會成為電容器電池材料最不可小視的競爭者[ 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；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有相對更高的可逆儲鋰容量[ 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：

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，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)外對石墨烯研究的熱點。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。通過對石墨烯的深入研究，將會發(fā)現(xiàn)其更加優(yōu)越的特殊性能。

石墨烯特殊性能的問世，將會對整個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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