概述了石墨烯及其复合功能材料在能源领域、环境保护领域、生物医学领域、传感器和检测等领域的应用进展,着重介绍了其在能源领域中锂离子电池、超级电容器和太阳能电池方面的研究成果,并展望了石墨烯及其复合功能材料的应用前景。<br/>The application of graphene and graphene matrix composite functional materials in the field of energy, environmental protection, analysis of biomedicine, sensor system in instrument testing are summarized in this paper. It especially introduces the research of lithium ion battery, super capacitor, and solar cells in the energy field. And the application prospect of graphene and gra-phene matrix composite materials is described.
石墨烯,复合材料,制备,应用, Graphene Composite Material Preparation Application石墨烯及其复合功能材料应用研究进展
石墨烯单独作为超级电容器的电极材料时,其理论比容量值仅为 329 F /g,这样也就限制了该材料在超级电容器中的大规模应用。通过对石墨烯进行官能团修饰改性以及制备石墨烯基复合电极材料,构建法拉第准电容器已经成为该领域研究的热点之一 [31] 。Yang等 [32] 以石墨为原料,采用改进的Hummers方法制备氧化石墨,在水中经超声分散得到氧化石墨烯水溶胶,经硼氢化钠还原得到石墨烯聚集物,结果表明,氧化石墨在水溶液中可以剥离成单片层结构,石墨烯聚集物比表面积为 358 m 2 /g,在10 mA恒流下充放电,比电容为 138.6 F /g,充放电容量效率为98%。Yoon等 [33] 将己烷作为反溶剂物质加入到氧化石墨烯片的乙醇溶液中,制备得到不堆叠的褶皱氧化石墨烯片和还原氧化石墨烯片,有效提高了还原
图3. 超级电容器的结构示意图
氧化石墨烯的比表面积和孔隙率,分别为 1435.4 m 2 /g和 4.1 cm 3/g,较显著地提升了该材料作为双电层电容器电极的性能;并在6.0 mol/L的KOH水溶液中和 1 A /g的电流密度下,得比容量可达 236 F /g。Wang等 [34] 制备了兼具多孔分层结构、高导电性的内在网络和杂环原子掺杂的石墨烯电极,在 80 A /g的电流密度下,其能量密度可达322 W∙h/kg,功率密度达到116 kW/kg,充放电循环3000次后几乎没有递减。此外,周颖等 [35] 利用未经任何分散处理的氧化石墨溶胶在气液界面自组装得到氧化石墨纸,将氧化石墨纸在不同温度下用水合肼蒸气还原制得石墨烯纸。在此基础上考察了还原处理及还原温度对材料电容特性的影响,结果表明,在150℃下还原氧化石墨纸得到的石墨烯纸具有较好的电化学电容特性,其在1000 mA/g恒定充放电电流密度下,6 mol/L KOH电解质溶液中的质量比电容达到 142 F /g,1000次充放电循环后电容保持率为99.8%。另外,氮掺杂石墨烯对其电容性能也有很大的提升,例如Gopalakrishnan K等 [36] 利用尿素作为氮源,通过微波法合成了高氮含量的氧化石墨烯,其氮含量达到18%。作为电容器电极材料时,表现出优异的电化学性能,在6 mol/L的KOH水溶液中,比容量最高达到 461 F /g。
由于石墨烯分散后具有非常大的储能活性,因此石墨烯复合功能材料也可用于超级电容器领域。金莉等 [37] 在石墨烯表面用恒电流法聚合3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)单体制备了石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩复合物(石墨烯/PEDOT),研究结果表明,该复合物是由PEDOT纳米谷粒状颗粒分散在石墨烯片表面而组成,将该复合物用作超级电容器电极材料时,在1.0 A/g的充放电比电流下得到的比电容值为 181 F /g。Cong等 [38] 制备了大面积的石墨烯/聚苯胺复合纸,该复合纸质量比较轻( 0.2 g /cm),电导率高(15 Ω/sq),并且具有很好的柔韧性,可加工成不同形状和大小的电极。其作为超级电容器的电极材料时,在1 mol/L的H2SO4的水溶液中,采用 1 A /g电流密度测试下,其比容量达到 763 F /g。该材料对发展柔韧性强的超级电容器具有重要意义。
将石墨烯与导电聚合物和金属氧化物复合而成的材料作为电极,则超级电容中双电层电容和法拉第准电容同时存在,使得两种电容的储能能力都得以充分发挥,从而更好地提高超级电容器性能。目前,Wang等 [39] 提出了基于石墨烯的三元复合材料,以石墨烯作为骨架,将SnO2和聚吡咯复合到石墨烯上,由于材料的协同作用,该三元材料在1 mol/L的H2SO4水溶液中比容量达到了 616 F /g,比石墨烯/SnO2的 80.2 F /g和聚吡咯的 523 F /g更大。在 1 A 的电流密度下,经过1000次循环后容量仍然没有递减,而且其功率密度和能量密度分别达到9973.26 W/kg和19.4 W∙h/kg。三元复合材料优异的协同作用,使其相比二元复合材料和纯材料有更好的电化学性能。可见,今后石墨烯在超级电容器电极材料中的应用研究会更加深入。
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