石墨烯基材料在超级电容器中的应用研究进展

?２６?材料导报Ａ：综述篇２０１２年１０月（上）第２６卷第１０期石墨烯基材料在超级电容器中的应用研究进展＋

张利华，杨云雪，关毅

（天津大学化工学院，天津３０００７２）

摘要石墨烯作为一种新型的碳材料，具有优异的物理、化学及力学性能，如导热导电性能良好、比表面积大及机械强度高，这些特性使其成为应用在电化学领域中的理想材料。总结了超级电容器用石墨烯材料的主流制备方法，综述了最近几年石墨烯及其复合材料在超级电容器中的应用研究进展，并展望了其未来的应用前景。

关键词石墨烯制备方法超级电容器

中图分类号：０６１３．７１文献标识码：Ａ

ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＧｒａｐｈｅｎｅＢａｓｅｄ

ＭａｔｅｒｉａｌｓｉｎＳｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ

ＺＨＡＮＧＬｉｈｕａ，ＹＡＮＧＹｕｎｘｕｅ，ＧＵＡＮＹｉ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２）

ＡｂｓｔｒａｃｔＡｓａｎｅｗｃａｒｂｏｎｍａｔｅｒｉａｌ，ｇｒａｐｈｅｎｅｐｏｓｓｅｓｓｅｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｈｙｓｉｃａｌ，ｃｈｅｍｉｃａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｅｒｆｏｒ—ｍａｎｃｅ，ｓｕｃｈａｓｇｏｏｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｈｉｇｈｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅａｒｅａ，ａｎｄｈｉｇｈｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｉｔａｎｉｄｅａｌｍａｔｅｒｉａｌｉｎｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．ＴｈｅｍａｉｎｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｕｓｅｄｉｎＳＵ—ｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｂａｓｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｉｓｒｅ—ｖｉｅｗｅｄ，ａｎｄｔｈｅｉｒｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｓｐｅｃｔｓａｒｅｓｕｍｍｅｒｉｚｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓｇｒａｐｈｅｎｅ，ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ

０引言

２００４年Ｇｅｉｍ等ｌｌ矗。首次采用微机械剥离法成功制备出石墨烯，这改变了“完美的二维晶体无法在有限温度下稳定存在”３］的传统观点。石墨烯由单层碳原子构成，呈二维蜂窝状六元环晶体结构，它具有独特的物理、化学和力学性能，成为应用于电化学领域的理想材料。因此，石墨烯引起了国内外研究者的极大关注和兴趣，并且已经在能量存储和转化（超级电容器、电池）［１’５］、传感器［６］、电催化Ｅ７１及电化学发光［８］等电化学相关领域取得了显著进展。本文从目前制备电化学用石墨烯材料的主流方法（氧化还原法）人手，综述了最近几年石墨烯基材料在超级电容器领域的应用研究成果。

１石墨烯的独特结构和优良特性

石墨烯的价带（丌电子）和导带（丌。电子）相交于费米能级处（Ｋ和Ｋ慷），是能隙为零的半导体［９］。石墨烯中电子的运动速度达到光速的１／３００，远比电子在一般导体中的运动速度快ｕ…。石墨烯独特的结构使其具有室温半整数量子霍尔效应、双极性电场效应、超导电性、高载流子率等优异的电学性质，其载流子率在室温下可达到１．５×１０４ｃｍ２／（Ｖ?ｓ）［ｎ－ｌａ？。石墨烯是目前世界上已知的最薄、强度最大的材料，其拉伸模量和本征强度ｕ“”３分别为１０００ＧＰａ和１３０ＧＰａ；导热性极好，热导率‘”Ｊ达５０００Ｗ／（ｍ?Ｋ）。与其他碳材料相比，石墨烯的比表面积更大．其理论比表面积为２６３０ｍ２／ｇ，而碳纳米管［１７】的比表面积为１３１５ｍ２／ｇ，富勒烯Ｊ“（Ｃ。）的比表面积为ｌＯ～２０ｍ２／ｇ。

２石墨烯的氧化还原合成法

石墨烯的合成方法有微机械剥离法ｔ卜、氧化还原法［１”２１ｊ、化学气相沉积法（ＣＶＤ法）ｉｊ２２．２３］、基质外延生长法［２“、开裂碳纳米管法［２…、电弧法［２６１及钻石转化法∞ｆ－ｕ等。其中氧化还原法以产量高、成本低、方法简单的优势成为目前制备电化学用石墨烯材料的主流方法。该方法通过氧化天然鳞片石墨（或石墨粉）制备氧化石墨（或氧化石墨烯），再将其还原来获得石墨烯。氧化过程中，在氧化剂作用下，在石墨层间和边缘部位插入一ＯＨ、Ｃ＝Ｏ、Ｃ—Ｏ－Ｃ等大量含氧基团，生成氧化石墨；此后的还原过程中，通过不同方法去除氧化石墨层间及边缘的含氧官能团，使石墨片层分离制得石墨烯。氧化和还原过程中所采用的工艺条件及方法会影响石墨烯表面的结构和形态，进而影响石墨烯的电化学性能。因此，需仔细表征所制备的石墨烯材料的结构和形态，常用的表征手段有Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）啦”、红外光谱（ＦＴ一承）、Ｒａｍａｎ光谱［２８。、扫描电子显微镜（ＳＥＭ）［２…、透射电镜（ＴＥＭ）［３０］、原子力显微镜（ＡＦＭ）［３ｕ及光电子能谱（ＸＰＳ）［３叼等，获得的数据与

＊国家自然科学基金（２０９７６１２１）：天津市自然科学基金（１０ＪＣＺＤＪＣ２３８００）

张利华：硕士生，从事石墨烯的制备及电化学性能研究Ｔｅｌ：０２２—２７８９０８９３Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕａｈｕａ２０１５＠１２６．ｃｏｒｎ关毅：通讯作者，副教授Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕａｎｙｉ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

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