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1、 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) 摘要：自从 2004年石墨晞问世以来，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 了石墨晞材料的制备方法，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。 关键词：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
2、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、较髙的电导性能和化 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。 微机械剥离法 20 4年， Novoselov等首次得到了暴
3、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原子因髙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，将碳氢化合物通人高温加热的具有催化活性 的金属基底如 Cu、
4、 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髙，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、
5、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。与干其他碳材料相比，石墨烯的比表面积大、电导率 髙且化学结构稳定，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 g1电流密度下恒流充放电比电容可达 184.5 F _g4, 经 1200次循环后的比电容为 161 .7 F_g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
6、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髙效 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，乎均粒径为 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
7、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
8、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。 参考文献： 1 Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Electric field effect in atomically thin carbon films J. science, 2004, 306 (5696): 666-669. 2 张伟东，朱厚军，赵书利 .石墨烯的制备及其在电化 学领域中的应用 J.船电技术， 2013, 33 (1): 61-64. 3 吴诗德，宋彦良，李超，等 .石墨烯材料的制备及其 在电化学领域的应用 J.材料導報 ， 2011， 25(3A): 55-59.