陳章宜(北京市第161中學(xué), 北京 100031)

石墨烯制備及在電化學(xué)中的應(yīng)用

陳章宜(北京市第161中學(xué), 北京 100031)

自從2004年石墨烯問世以來，因具備獨特的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性能和超大的比表面積等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，并且一直是全世界的研究熱點。此外，石墨烯所特有的良好的導(dǎo)電性和大的比面體積，石墨烯材料在電化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景光明。本文綜述了石墨烯材料的制備方法，評述了其在超級電容器、鋰離子電池、燃料電池等電化學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用研究，并展望了石墨烯材料的制備及其在電化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的未來發(fā)展前景。

石墨烯；制備；超級電容器；鋰離子電池；燃料電池

隨著環(huán)境和能源問題的日益突出，發(fā)展可再生能源已成為全世界急需解決的問題，發(fā)展先進(jìn)的儲能技術(shù)是這個世界性問題的有效方法之一。石墨烯作為一種新型的碳材料，與其他石墨碳材料相比，石墨烯具有比表面積大、較高的電導(dǎo)性能和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，因而成為電化學(xué)領(lǐng)域中最具開發(fā)前景的研究方向之一，在各種新型儲能電源中發(fā)揮重要作用。本文綜述了石墨烯材料的制備，并總結(jié)了其在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展，最后展望了石墨烯未來的發(fā)展前景。

1 石墨烯的制備方法

制備單層石墨烯，尤其是批次制備出性能穩(wěn)定的石墨烯，以便系統(tǒng)地研究其化學(xué)和物理性質(zhì)，是近來科學(xué)工作者研究的熱點。下面是常見的石墨烯制備方法及相應(yīng)的研究。

(1)微機(jī)械剝離法 2004年，Novoselov等首次得到了單層石墨烯通過微機(jī)剝離方法，制備出來的石墨烯是穩(wěn)定性良好，并且其宏觀尺寸和晶體質(zhì)量有很大提高。雖然該方法操作簡單，不用太多繁瑣的實驗步驟，但所制備的石墨烯薄片生產(chǎn)效率較低，而且難以實現(xiàn)規(guī)模化制備單層石墨烯。

(2)外延生長法 高溫下加熱SiC單晶體，導(dǎo)致SiC表面的Si原子因高溫被蒸發(fā)而脫離其表面，因此留下的碳原子通過自組重構(gòu)，從而實現(xiàn)在表面上外延生長石墨烯。該方法的優(yōu)點在于制備出的石墨烯不僅具有與集成電路很好地兼容性，而且具有良好的均一性。

(3)化學(xué)氣相沉積 化學(xué)氣相沉積(簡稱CVD)是指在高真空度條件下，將碳?xì)浠衔锿ㄈ敫邷丶訜岬木哂写呋钚缘慕饘倩兹鏑u、Pt、Ru等表面，通過加熱使吸附氣體催化脫氫，冷卻后使碳沉積在基底的晶面上，從而得到石墨烯片層。CVD法制備石墨烯的優(yōu)勢在于質(zhì)量較高，石墨烯容易分離，有望滿足在透明導(dǎo)電薄膜等方面的應(yīng)用要求。

(4)氧化石墨還原法 氧化石墨還原法是目前制備石墨烯最熱門的方法之一。該方法將石墨與強(qiáng)酸(如濃硫酸和發(fā)煙硝酸等) 等強(qiáng)氧化劑在一定條件下反應(yīng)，將其進(jìn)行氧化處理，之后通過強(qiáng)力超聲形成單層或多層的氧化石墨烯，利用化學(xué)還原法或其它方法將氧化石墨烯( Graphene oxide，GO)還原為石墨烯。

2 石墨烯在電化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

(1)超級電容器 超級電容器作為一種綠色環(huán)保、安全可靠、以及循環(huán)可逆性的新型儲能器件, 其在眾多的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。與于其他碳材料相比，石墨烯的比表面積大、電導(dǎo)率高且化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，更加適合作為超級電容器電極材料。蘇鵬等人以氧化石墨烯(GO)為原料, 尿素為還原劑和氮摻雜劑,并采用水熱法合成了氮摻雜石墨烯，電化學(xué)測試結(jié)果表明在3 A· g-1電流密度下恒流充放電比電容可達(dá) 184.5 F·g-1,經(jīng)1200次循環(huán)后的比電容為161 .7 F·g-1，電容保持率為87.6%。

(2)鋰離子電池 電池電極材料的導(dǎo)電性對鋰離子電池的功率性能和能量密度具有很大的影響。石墨烯材料因優(yōu)異的電子導(dǎo)電性，被廣泛應(yīng)用到鋰電子電池的研究中。高云雷等以天然石墨為原料，通過氧化、快速熱膨脹和超聲分散等方法制備出石墨烯。結(jié)果表明氮摻雜石墨烯負(fù)極材料具有優(yōu)異的電化學(xué)能和獨特的儲鋰機(jī)制。

(3)燃料電池 燃料電池是當(dāng)今世界極具潛力的一種高效綠色清潔能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。然而，燃料電池中貴金屬Pt基電極催化劑存在價格昂貴、穩(wěn)定性差和存儲稀缺等缺點，因此在很大程度上限制了其的商業(yè)化應(yīng)用。近幾年，以石墨烯為載體材料的氧還原電催化劑研究取得了重要進(jìn)展，已經(jīng)成為燃料電池陰極催化劑的研究熱點。魏子棟等人采用直接化學(xué)還原法，所制備的Pt/Gr催化劑具有較好的分散性，平均粒徑為3.1 nm，氧還原起始電位比商業(yè)Pt/C催化電極正移了24 mV。

3 展望

石墨烯以其優(yōu)良的電學(xué)性能、大的比表面積和獨特的結(jié)構(gòu)，在電化學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)于其它碳材料的應(yīng)用性能，使其成為眾多科研工作者研究的熱點之一。然而，傳統(tǒng)的制備方法難以獲得大規(guī)模的高質(zhì)量且結(jié)構(gòu)完整的石墨烯層片，此缺點限制了石墨烯在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。因此這就要求不斷改進(jìn)現(xiàn)有制備工藝的水平，實現(xiàn)石墨烯的低成本、大規(guī)模、可控的制備。此外，隨著人們對石墨烯材料的深入研究以及制備方法的提高，近年來石墨烯材料在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展，并受到了廣泛的關(guān)注。通過科研工作者們的共同努力，充分證明了石墨烯材料在新型化學(xué)儲能電源中的應(yīng)用前景是光明的。石墨烯材料是當(dāng)今世界新材料發(fā)展中一個新的里程碑，對其進(jìn)行深入的研究與開發(fā)將給許多領(lǐng)域的發(fā)展帶來巨大機(jī)遇。

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