石墨烯的制備以及在化學儲能中的應用

劉閆 王康康

摘 要：石墨烯的二維空間結構十分獨特，因此在電學、熱學、力學方面性能優異，是目前發現的一種巨大的應用前景新潛力材料。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儲能領域中的應用。

關鍵詞：石墨烯；制備；應用

石墨烯是單獨存在的具有二維有序結構的單層石墨片，具有許多特殊的性質，比如：

1）具有很好的導電性能；

2）具有很好的傳導性能；

3）具有質量輕、高化學穩定性和高比表面積等優點。

石墨烯材料正因為電學、熱學、力學方面性能優異，目前已廣泛應用于太陽能電池、傳感器方面、納米電子學、高性能納電子器件、復合材料、場發射材料、氣體傳感器及能量存儲等領域。

1 石墨烯的制備

當前，國內外對石墨烯的制備方法很關注。最初，石墨烯的制備采用的是機械剝離法，即將石墨粘貼后再轉移到相應的硅片上。隨后通過不斷研究，出現了單晶金屬上的化學氣相沉積法、在惰性晶體上的晶體外延法[ 1 ]、利用微機械的微機械剝離法、氧化-還原法、在溶劑中進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 石墨烯在化學儲能中的研究

2.1 石墨烯在儲氫中的應用

氫能作為一種高效、清潔、資源豐富、可再生、熱效率高、"無碳"能源已得到國內外的普遍關注，被譽為21世紀的能源[ 2 ]。從石墨烯發現至今，其是組成碳質材料的基本單元。石墨烯相對于其它的儲氫材料，具有比普通材料更優異的儲氫性能。正因為如此，世界各國都在積極進一步發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理。石墨烯儲氫的關鍵與比表面積、孔隙結構以及加入的摻雜物等方面有關。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展的一個重要方向。

2.2 石墨烯在超級電容器中的應用

近年來，用石墨烯作為電極材料的超級電容器也屢見報道。從中可以發現研究中使用的電極材料主要為過渡金屬氧化物（如Co2O3、RuO2）、導電高分子（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料相比很易發現石墨烯具有導電高、化學穩定性好等優點。

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用

石墨烯是一種由石墨制備的新型碳質材料，單層或者薄層石墨在化學電源里的應用潛力也越來越受關注[ 5 ]。

研究發現，墨烯在低電位下可作為負極材料，有比容量高和充放電能力強的優點；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電性的強弱。加入導電性強的石墨烯，有利于Li+傳導；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電性；另一方面使電極材料活性表面積高，具有廣闊的發展與應用前景。

2.4 石墨烯應用于太陽能電池透光電極材料

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

導電玻璃在太陽能電池方面發展同樣存在缺點：

1）ITO里的金屬離子不穩定，容易吸收紅外光譜還有熱穩定性較差；2）導電玻璃應用時，需要在其表面鍍一層增強其導電性鉑，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），以及有機聚合物太陽能電池（OPSC）等的透光導電極替代物。

石墨烯作為透光導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。通過科學家的不懈努力，具有這些優異性質的石墨烯將會更廣泛應用于太陽能電池透光電極材料。

3 結語

從學科領域來看，石墨烯的性能及制備是國內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用方面等。通過對石墨烯的深入研究，將會發現其更加優越的特殊性能。

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意義。通過更加深入的研究發現，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。

參考文獻：

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[3] 黃澍，王瑋，王康麗等.儲能科學與技術.2014，3（2）：85-95.

[4] 余泉茂，王仁清.石墨烯制備及其在超級電容器中的應用研究[D].2008，26.

[5] 陳梅.石墨烯在化學電源中的新應用[J].電源技術，2011，135，892.

[6] 聞雷，劉成名，宋仁升等.石墨烯材料的儲鋰行為及其潛在應用[J].化學學報.2014（72）：333-334

[7] 朱碧玉，倪江鋒，王海波.電源技術.2013，37（5）：860-862.

[8] 姜麗麗，魯雄.石墨烯在太陽能電池中的應用[J].無機材料學報，2012（27）.

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