石墨烯的制备以及在化学储能中的应用

刘闫 王康康

摘 要：石墨烯的二维空间结构十分独特，因此在电学、热学、力学方面性能优异，是目前发现的一种巨大的应用前景新潜力材料。本文主要介绍了石墨烯的制备，以及石墨烯在储氢、超级电容器、锂离子电池以及锂空气电池等化学储能领域中的应用。

关键词：石墨烯；制备；应用

石墨烯是单独存在的具有二维有序结构的单层石墨片，具有许多特殊的性质，比如：

1）具有很好的导电性能；

2）具有很好的传导性能；

3）具有质量轻、高化学稳定性和高比表面积等优点。

石墨烯材料正因为电学、热学、力学方面性能优异，目前已广泛应用于太阳能电池、传感器方面、纳米电子学、高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域。

1 石墨烯的制备

当前，国内外对石墨烯的制备方法很关注。最初，石墨烯的制备采用的是机械剥离法，即将石墨粘贴后再转移到相应的硅片上。随后通过不断研究，出现了单晶金属上的化学气相沉积法、在惰性晶体上的晶体外延法[ 1 ]、利用微机械的微机械剥离法、氧化-还原法、在溶剂中进行的溶剂剥离法以及溶剂热法等。

制备过程中要综合考虑石墨烯的成本以及应用空间，目前较普遍的制备方法是氧化——还原法制备石墨烯。

2 石墨烯在化学储能中的研究

2.1 石墨烯在储氢中的应用

氢能作为一种高效、清洁、资源丰富、可再生、热效率高、"无碳"能源已得到国内外的普遍关注，被誉为21世纪的能源[ 2 ]。从石墨烯发现至今，其是组成碳质材料的基本单元。石墨烯相对于其它的储氢材料，具有比普通材料更优异的储氢性能。正因为如此，世界各国都在积极进一步发掘石墨烯的储氢潜能[ 3 ]。

石墨烯在储氢性能方面有一定的储氢机理。石墨烯储氢的关键与比表面积、孔隙结构以及加入的掺杂物等方面有关。因此，研究新方法用于制备石墨烯将会是石墨烯基储氢材料发展的一个重要方向。

2.2 石墨烯在超级电容器中的应用

近年来，用石墨烯作为电极材料的超级电容器也屡见报道。从中可以发现研究中使用的电极材料主要为过渡金属氧化物（如Co2O3、RuO2）、导电高分子（如聚酯和聚亚胺）和比表面积比较碳基活性材料（如碳纳米管、活性炭纤维）。将石墨烯和其他碳质料相比很易发现石墨烯具有导电高、化学稳定性好等优点。

正是因为如此，石墨烯以及石墨烯基材料将会成为电容器电池材料最不可小视的竞争者[ 4 ]。石墨烯是公认的制作具有高效，柔韧性好，体积小的超级电容器很有潜力的材料。

2.3 石墨烯在锂离子电池中的应用

石墨烯是一种由石墨制备的新型碳质材料，单层或者薄层石墨在化学电源里的应用潜力也越来越受关注[ 5 ]。

研究发现，墨烯在低电位下可作为负极材料，有比容量高和充放电能力强的优点；在高电位下，石墨烯可作为高倍率正极材料使用。

石墨烯作为负极材料的充放电特征与低温软炭材料类似，若用热还原石墨烯材料将会有相对更高的可逆储锂容量[ 6 ]。

在锂电池体系中，限制其电池性能的重要因素是正极材料的导电性的强弱。加入导电性强的石墨烯，有利于Li+传导；抑制了金属氧化物的溶解和相变；保持了充放电过程中电极材料的稳定性[ 7 ]。

因此将石墨烯引入到正极材料中，一方面提高电极的导电性；另一方面使电极材料活性表面积高，具有广阔的发展与应用前景。

2.4 石墨烯应用于太阳能电池透光电极材料

目前可应用于透光导电极的材料为透光导电薄膜金属氧化物膜系，如氧化铟锡（ITO）、氧化氟锡（FTO），俗称导电玻璃[ 8 ]，导电玻璃在太阳能电池领域应用居多。

导电玻璃在太阳能电池方面发展同样存在缺点：

1）ITO里的金属离子不稳定，容易吸收红外光谱还有热稳定性较差；2）导电玻璃应用时，需要在其表面镀一层增强其导电性铂，增加了制备成本[ 9 ]。

石墨烯的用途之一是用于替代染料敏化太阳能电池（DSSC），以及有机聚合物太阳能电池（OPSC）等的透光导电极替代物。

石墨烯作为透光导电极材料的研究主要集中提高石墨烯薄膜的电性能、透光性等方面。通过科学家的不懈努力，具有这些优异性质的石墨烯将会更广泛应用于太阳能电池透光电极材料。

3 结语

从学科领域来看，石墨烯的性能及制备是国内外对石墨烯研究的热点。石墨烯的研究方向也集中在纳米材料的性能以及材料应用方面等。通过对石墨烯的深入研究，将会发现其更加优越的特殊性能。

石墨烯特殊性能的问世，将会对整个世界有重大的研究和指导意义。通过更加深入的研究发现，可以建造出一系列的新材料，比如：“太空电梯”缆线，光子传感器，液晶显示材料，新一代太阳能电池等等。

参考文献：

[1] D.Li，M.B.Muller，S. Gilje，R.B.Kaner.Processable Aqueous Dispersions of Grapheme Nanosheets.NatureNanotechnology，2008，3：101-105.

[2] Turner J A.Sustainable hydrogen production[J].Science，2004，305（5686）：972-974.

[3] 黃澍，王玮，王康丽等.储能科学与技术.2014，3（2）：85-95.

[4] 余泉茂，王仁清.石墨烯制备及其在超级电容器中的应用研究[D].2008，26.

[5] 陈梅.石墨烯在化学电源中的新应用[J].电源技术，2011，135，892.

[6] 闻雷，刘成名，宋仁升等.石墨烯材料的储锂行为及其潜在应用[J].化学学报.2014（72）：333-334

[7] 朱碧玉，倪江锋，王海波.电源技术.2013，37（5）：860-862.

[8] 姜丽丽，鲁雄.石墨烯在太阳能电池中的应用[J].无机材料学报，2012（27）.

[9] Wang X，Zhi L，Müllen K.Transparent，conductive graphene electrodes for dye-sensitized solar cells.NanoLett，2008，8（1）：323-327.