石墨烯制备及在电化学中的应用

陈章宜(北京市第161中学, 北京 100031)

石墨烯制备及在电化学中的应用

陈章宜(北京市第161中学, 北京 100031)

自从2004年石墨烯问世以来，因具备独特的结构、导电性能和超大的比表面积等优点，被广泛应用于各个领域，并且一直是全世界的研究热点。此外，石墨烯所特有的良好的导电性和大的比面体积，石墨烯材料在电化学领域中的应用前景光明。本文综述了石墨烯材料的制备方法，评述了其在超级电容器、锂离子电池、燃料电池等电化学领域中应用研究，并展望了石墨烯材料的制备及其在电化学领域应用的未来发展前景。

石墨烯；制备；超级电容器；锂离子电池；燃料电池

随着环境和能源问题的日益突出，发展可再生能源已成为全世界急需解决的问题，发展先进的储能技术是这个世界性问题的有效方法之一。石墨烯作为一种新型的碳材料，与其他石墨碳材料相比，石墨烯具有比表面积大、较高的电导性能和化学性质稳定等优点，因而成为电化学领域中最具开发前景的研究方向之一，在各种新型储能电源中发挥重要作用。本文综述了石墨烯材料的制备，并总结了其在电化学领域的应用研究进展，最后展望了石墨烯未来的发展前景。

1 石墨烯的制备方法

制备单层石墨烯，尤其是批次制备出性能稳定的石墨烯，以便系统地研究其化学和物理性质，是近来科学工作者研究的热点。下面是常见的石墨烯制备方法及相应的研究。

(1)微机械剥离法 2004年，Novoselov等首次得到了单层石墨烯通过微机剥离方法，制备出来的石墨烯是稳定性良好，并且其宏观尺寸和晶体质量有很大提高。虽然该方法操作简单，不用太多繁琐的实验步骤，但所制备的石墨烯薄片生产效率较低，而且难以实现规模化制备单层石墨烯。

(2)外延生长法 高温下加热SiC单晶体，导致SiC表面的Si原子因高温被蒸发而脱离其表面，因此留下的碳原子通过自组重构，从而实现在表面上外延生长石墨烯。该方法的优点在于制备出的石墨烯不仅具有与集成电路很好地兼容性，而且具有良好的均一性。

(3)化学气相沉积 化学气相沉积(简称CVD)是指在高真空度条件下，将碳氢化合物通入高温加热的具有催化活性的金属基底如Cu、Pt、Ru等表面，通过加热使吸附气体催化脱氢，冷却后使碳沉积在基底的晶面上，从而得到石墨烯片层。CVD法制备石墨烯的优势在于质量较高，石墨烯容易分离，有望满足在透明导电薄膜等方面的应用要求。

(4)氧化石墨还原法 氧化石墨还原法是目前制备石墨烯最热门的方法之一。该方法将石墨与强酸(如浓硫酸和发烟硝酸等) 等强氧化剂在一定条件下反应，将其进行氧化处理，之后通过强力超声形成单层或多层的氧化石墨烯，利用化学还原法或其它方法将氧化石墨烯( Graphene oxide，GO)还原为石墨烯。

2 石墨烯在电化学领域中的应用

(1)超级电容器 超级电容器作为一种绿色环保、安全可靠、以及循环可逆性的新型储能器件, 其在众多的领域有着广泛的应用。与于其他碳材料相比，石墨烯的比表面积大、电导率高且化学结构稳定，更加适合作为超级电容器电极材料。苏鹏等人以氧化石墨烯(GO)为原料, 尿素为还原剂和氮掺杂剂,并采用水热法合成了氮掺杂石墨烯，电化学测试结果表明在3 A· g-1电流密度下恒流充放电比电容可达 184.5 F·g-1,经1200次循环后的比电容为161 .7 F·g-1，电容保持率为87.6%。

(2)锂离子电池 电池电极材料的导电性对锂离子电池的功率性能和能量密度具有很大的影响。石墨烯材料因优异的电子导电性，被广泛应用到锂电子电池的研究中。高云雷等以天然石墨为原料，通过氧化、快速热膨胀和超声分散等方法制备出石墨烯。结果表明氮掺杂石墨烯负极材料具有优异的电化学能和独特的储锂机制。

(3)燃料电池 燃料电池是当今世界极具潜力的一种高效绿色清洁能源转换系统。然而，燃料电池中贵金属Pt基电极催化剂存在价格昂贵、稳定性差和存储稀缺等缺点，因此在很大程度上限制了其的商业化应用。近几年，以石墨烯为载体材料的氧还原电催化剂研究取得了重要进展，已经成为燃料电池阴极催化剂的研究热点。魏子栋等人采用直接化学还原法，所制备的Pt/Gr催化剂具有较好的分散性，平均粒径为3.1 nm，氧还原起始电位比商业Pt/C催化电极正移了24 mV。

3 展望

石墨烯以其优良的电学性能、大的比表面积和独特的结构，在电化学领域表现出优于其它碳材料的应用性能，使其成为众多科研工作者研究的热点之一。然而，传统的制备方法难以获得大规模的高质量且结构完整的石墨烯层片，此缺点限制了石墨烯在相关应用领域的应用与发展。因此这就要求不断改进现有制备工艺的水平，实现石墨烯的低成本、大规模、可控的制备。此外，随着人们对石墨烯材料的深入研究以及制备方法的提高，近年来石墨烯材料在电化学领域的应用取得了很大的进展，并受到了广泛的关注。通过科研工作者们的共同努力，充分证明了石墨烯材料在新型化学储能电源中的应用前景是光明的。石墨烯材料是当今世界新材料发展中一个新的里程碑，对其进行深入的研究与开发将给许多领域的发展带来巨大机遇。

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