能源领域中石墨烯和氧化石墨烯的运用

　　1 引言

　　自Geim和他的同事于2014年制备出独立存在的完美的单层石墨烯，并证明其具有突出的电子性能，从而引发了研究热潮，基于石墨烯的高迁移率，霍尔效应、迪拉克电子结构、热传导等特性。科学家提出了很多重要且创新的应用。在过去几年中，已经发表了大量关于石墨烯在能源领域的研究进展，本文简单总结了一下石墨烯和氧化石墨烯在能量领域的研究进展。

　　2 石墨烯在绿色能源方面的应用

　　为了解决能源危机，绿色能源技术就越来越显得重要。这主要包括两部分：能源转换和存储。在所有选择中：化石能源、太阳能是最有可能满足人类长期发展需求的能源。目前，商用太阳能技术是基于硅材料的。由于低成本、轻便、溶剂处理、机械灵活性/弹性高，太阳能光伏技术装置被作为下一代太阳能转换技术。

　　OPV的主要问题之一是其最常用的电子接收器PCBM.这一点引导了其他碳族同素异形体的研究，包括CNTs作为接收器。然而，一些不受欢迎的因素，比如难溶性、杂质、集束结构，很大程度的阻碍太阳能装置的性能。

　　石墨烯的很多优良性能都表明石墨烯可以作为一种有竞争性的电子接收器材料。OPV器件是以带有有机官能团的石墨烯材料作为电子接收器的，P3OT作为供体，制得产量达1.4%的能源转换效率，功率达到1.4%与迄今为止最好的OPV结果相当。但是与最好的OPV器件所用的其他材料相比，是用富勒烯作为电子接收材 料 的。最 近 一 些 研 究 报 道 了 相 似 的 结 果，将C60嫁接到石墨烯材料上用作太阳能电池上作为电子接收器，在P3HT基的体异质结具有1.22%的能源转换效率。能量储存方面，超级电容器（SC）作为一种非常有前景的技术平台，具有恒定的充电/再充电能力、寿命长，安全性强，几乎不用维修等特点。当前，与电池的能量密度（铅酸蓄电池30~40W3h/kg）相比，SC具有较低的能量密度（3~5 W3h/kg），这一点限制了它的广泛应用。关于SC活性材料的主要需求是高比表面积、导电性和较好的电化学稳定性。这些需求几乎都完美的与石墨烯的性能相匹配，石墨烯的理论比电容为550F/g.

　　我们制备了几种石墨烯材料，然后按照工业标准用它们来构造SC装置，最好的结果是比热容为205F/g、能量密度分别是10kW/kg和28.5W3h/kg.通过对这些电容器的长期循环进行观察，经过1200个试验周期之后，比热容仍然保持在~90%.很多课题组用不同的石墨烯材料报道了许多性能数据。其中有一项工作是用KOH活化氧化石墨烯材料，从而制得一种在有机介质中具有高比表面积的（3100m2/g）并且比热容为166F/g的器件。

　　关于SC用石墨烯作为原料最重要的问题是，通常是从氧化石墨烯开始，来阻止石墨烯薄片在氧化石墨烯还原的过程中的堆叠。为了解决这个问题，一种方式加入起到空间阻隔作用的取值来阻止片层的堆叠。

　　通过这种方法，可以制得一种碳纳米管/石墨烯的杂化材料，经过在原位进行水热处理，生成一种石墨烯和碳纳米管的三维分层结构。的确，利用这种策略，石墨烯薄片的堆叠现象几乎可以完全受到抑制，制得了一种比热容为318F/g的器件。

　　3 石墨烯复合材料作为制动器

　　制备任何复合材料，第一个问题就是将填充物均匀的分散在基质上，氧化石墨烯或其改良材料因其溶解性良好，所以非常适合作为制备石墨烯复合材料的前体。显然，石墨烯薄片分散成单个分子水平状态是理想的状况，溶剂处理过程是很简单有效的，也可能是最容易的方法。为了避免石墨烯薄片的堆叠，既可以通过在石墨烯上加入功能团，也可以在石墨烯薄片之间加入分散剂。一个突出的，也是最早的，出自Ruoff的研究组，首先用异氰酸苯酯上大量的羧基和羟基在氧化石墨烯上引入官能团，这些官能团可以使石墨烯融入二甲基甲酰胺这样的有机溶剂中。用二甲肼处理氧化石墨烯和聚合物的混合溶液，来还原氧化石墨烯。

　　在还原的过程中，石墨烯薄片本征的堆叠被聚合物分子阻止。直接用氧化石墨烯而不用进一步修饰效果可能更好。比如，我们选择一种最常用的聚合物，如聚乙烯醇（PVA）作为基底来制备石墨烯复合材料。

　　PVA可以在水中处理。在石墨烯/PVA纳米复合材料中，用水作为溶剂处理过程的溶剂，石墨烯薄片可以均匀的以分子水平分散。这些可以通过XRD进行观察。进一步，在石墨烯和聚乙烯醇基底之间有效的负荷转移，比如，每增 加0.7wt%的 氧 化 石 墨 烯，拉 伸 强 度 增 加76%,弹性模量增加62%.石墨烯和聚乙烯醇之间的负荷转移取决于分子水平的分散和PVA上的OH和GO上的OH/COOH形成的氢键。

　　用复合材料的基本原因是从不同的组成中获得多重或稳定的功能，如果独立使用每一组分是无法实现的。这是我们用热塑形状或驱动材料热塑性聚氨酯作为基底来制备石墨烯复合材料的情况。在热刺激的条件下，热塑性聚氨酯具有存储和恢复大应变的能力，这是因为它的双相结构：一个热可逆相是从一个瞬态和一个固相恢复到原来的形状。温敏性聚合物致动材料因其具有热可逆性而得到广泛应用。然而，TPU,是一种红外透明高分子材料，不表现光致驱动，这时石墨烯就要起作用了。当TPU/石墨烯的复合材料暴露在光照下，可以观察到一种显着地、重复的红外引发的驱动下，有非常低的石墨烯负载，能量密度达0.40J/g.这种纳米复合材料的机械性能得到显着提高。综上所述，这些结果甚至超过很多商业用高弹性制动器。当暴露在光照下，复合材料中的石墨烯薄片首先吸收光能，并将其转换成热能，然后作为纳米加热器将能量传递至所有的单元，一起加热TPU基底。从而导致TPU改变晶型，并轻微的引发形状恢复或改变。

　　磁性导电材料，尤其是具有良好的弹性的材料，在很多 应 用 中 非 常 重 要。应 用 最 广 泛 的 磁 性 材 料 是Fe3O4,然而不能作为一种柔性独立膜，限制了它的应用。通过溶 剂 处 理 过 程 后，可 以 制 得 一 种 石 墨 烯 和Fe3O4的杂化材料。通过真空过滤后，可以制得一种柔性独立纸。这种杂化材料具有良好的导电性和超顺磁性，同时还可以提高机械强度和弹性。杂化纸的磁性可以 渗 透 到 低 磁 场H=1300Oe,饱 和 磁 化 量Ms=7.29emu/g,7.54%的Fe3O4的磁场中。

　　石墨烯杂化纸的电导率达到103S/m.这种材料的综合性能使其成为多通道控制/长时间执行功能的一种优 选。在 一 种Fe3O4/石 墨 烯 复 合 材 料 中，由 于Fe3O4纳米粒子插层，使石墨烯的层间距增加，这为一种外层电子提供了较好的通道到达石墨烯巨大的表面区域。这证明在相同的条件下，与纯石墨烯材料相比具有更好的电化学驱动作用证实了这一点。

　　4 结论与展望

　　综上所述，可知石墨烯的确是一种可用于能源领域且性能优良的材料。继C60和CNTs之后，目前正是第三波关于碳的热潮，迄今为止，所有这些关于碳的努力都带给我们一些真实的重要应用。石墨烯会带给我们更多的创新吗？在一个广泛的历史角度看，有一个大的问题：碳会成为继硅时代之后的下一个新技术元素吗？石墨烯似乎具有很多超乎其他碳族同素异形体的优势，只有时间和不断的探索可以告诉我们最后的结果。