劉培芳，張宗文，韋瑞杰，郭沛音，王玲玲

（信陽(yáng)師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與設(shè)備管理處，河南信陽(yáng) 464000)

當(dāng)前，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為迅速，各種能源較為短缺，迫切需要開(kāi)發(fā)新能源。石墨烯由碳原子構(gòu)成，其化學(xué)性質(zhì)與石墨具有相似性，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱率較高，具有較多優(yōu)點(diǎn)[1]。石墨烯能吸附且脫附各種原子及分子。石墨烯中的碳原子連接柔韌，在外部壓力的作用下，其表面會(huì)出現(xiàn)彎曲變形的情況，使其不必經(jīng)過(guò)重新排序，也能適應(yīng)外界帶來(lái)的荷載力，穩(wěn)定自身結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，越來(lái)越多的人員加入石墨烯的研究中，對(duì)石墨烯的研究也日益深入，進(jìn)而得到了廣泛的應(yīng)用。石墨烯在多個(gè)領(lǐng)域具有較好的潛在應(yīng)用價(jià)值，但只有獲得了結(jié)構(gòu)較好的石墨烯材料，才能實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化及產(chǎn)業(yè)化價(jià)值，因此，在石墨烯的實(shí)際應(yīng)用中，需要做好其規(guī)?；苽涔ぷ鳌?/p>

1 石墨烯的制備方法

1.1 化學(xué)氣相沉積法

這種方法在石墨烯材料的大量制備中較為常見(jiàn)，應(yīng)用廣泛。最初，在過(guò)渡金屬單晶鎳襯底表面通過(guò)化學(xué)氣相沉積法，能得到單層石墨烯。嘗試通過(guò)其他單晶金屬襯底表面來(lái)完成單層石墨烯的制備，經(jīng)過(guò)不斷研究發(fā)現(xiàn)，金屬鈷單晶表面吸附及分解乙炔能生產(chǎn)單層石墨烯。隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)其他金屬也能較好地完成石墨烯制備，如鉑、銥等。因此，在未來(lái)如果能進(jìn)行不斷地研究，會(huì)找到更高效的石墨烯制備方法。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，化學(xué)氣相沉積法還存在一定的不足，如以這種方法制備的石墨烯，其襯底對(duì)其自身導(dǎo)電性影響較大。這種方法雖能取得缺陷少的石墨烯，但是相對(duì)來(lái)講成本較高，而且過(guò)程存在復(fù)雜性，不太適用于石墨烯的大規(guī)模制備[2]。

1.2 電化學(xué)法

電化學(xué)法也是一種常見(jiàn)的石墨烯制備方法，其發(fā)展的初期階段，是將基底上的氧化石墨利用恒電位還原法還原為石墨烯片層。隨著研究力度的不斷加強(qiáng)，出現(xiàn)了一種更好的石墨烯制備方法，電極、電解液分別為石墨棒、離子溶液。將石墨片作為陽(yáng)極，可通過(guò)電化學(xué)法使其剝落，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)石墨烯的制備。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，所制備的石墨烯性能在很大程度上會(huì)受到電解液的影響，如種類(lèi)、濃度等。在成本方面，電化學(xué)法操作過(guò)程簡(jiǎn)易，成本較低，而且在制備期間，不會(huì)污染環(huán)境，存在較多優(yōu)點(diǎn)。而且制備過(guò)程中，可以通過(guò)模板控制石墨烯的形狀，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)用較廣[3]。電化學(xué)法能獲得高質(zhì)量的石墨烯，是一種綠色簡(jiǎn)單的合成方法，多數(shù)人認(rèn)為這將是最可能實(shí)現(xiàn)石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)的一種方法。電化學(xué)法制備石墨烯常將重點(diǎn)放在石墨烯的制備上，沒(méi)有對(duì)其實(shí)際應(yīng)用引起重視。相比于其他制備方法，這種制備方法能獲得較大的石墨烯，并且導(dǎo)電性好，也不容易出現(xiàn)其他缺陷，因此，通過(guò)這種方法制備的石墨烯應(yīng)用范圍較廣，并且取得了較好的效果。

1.3 透明膠帶法

這種方法就是利用膠帶從石墨晶體中分離出石墨烯。石墨剝落后，膠帶上會(huì)存在較多石墨烯，因此還需要繼續(xù)進(jìn)行剝落，直到其裂解而形成不同薄層的石墨烯薄片，結(jié)束以上操作后，膠帶會(huì)附著于基片上面，這時(shí)就可以通過(guò)丙酮分離膠帶，得到的薄片厚度及尺寸會(huì)不同，需要進(jìn)行認(rèn)真的選擇。單層石墨烯吸收率會(huì)受到干擾，一般在光學(xué)顯微鏡下才能看到，而且在制備數(shù)量方面也存在較大不足[4]。

1.4 石墨插層法

這種方法主要為利用天然石墨，在石墨層間插入非碳性材料的原子、分子、離子等，形成新的層狀化合物。以上操作能使石墨片層間作用削弱，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理獲得石墨烯片。這種方法操作簡(jiǎn)便，但是也存在一定不足，操作過(guò)程中并不能保證較好的插層，進(jìn)而影響剝離，因此，其所制備的石墨烯厚度較小。

1.5 表面外延生長(zhǎng)法

這種方法主要在真空環(huán)境下通過(guò)電子束轟擊加熱升高石墨溫度，在1 000℃時(shí)將氧去除，20min后溫度加熱至1 450℃，在超真空環(huán)境下就會(huì)外延生長(zhǎng)石墨烯（4H-SiC或6H-SiC表面），在此期間，可通過(guò)低能電子衍射方式觀察石墨烯薄片生長(zhǎng)情況[5]。有研究利用高溫退火方式，較好地實(shí)現(xiàn)了6H-SiC表面外延生長(zhǎng)石墨烯。這種方法能在SiC襯底上生成石墨烯，并且SiC本身就是半導(dǎo)體，性能較好，能與硅基半導(dǎo)體技術(shù)兼容，能進(jìn)一步提高電子器件可行性。這種方法也能取得缺陷少的石墨烯，但是成本較高，制備的程序較為復(fù)雜，而且不能進(jìn)行大規(guī)模的制備。

2 石墨烯在電化學(xué)中的運(yùn)用

2.1 在鋰離子電池中的應(yīng)用

以往，鋰離子電池中常應(yīng)用碳素材料，直到現(xiàn)在碳素在鋰離子電池中的應(yīng)用依然是一個(gè)研究重點(diǎn)。掌握石墨烯制備方法后，就需要將石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用作為重點(diǎn)，進(jìn)行深入的研究。研究發(fā)現(xiàn)，在鋰離子二次電池中，石墨烯作為負(fù)極材料，其比容量較高。將碳粉及碳納米管加入石墨烯材料中，能進(jìn)一步增高負(fù)極比容量。負(fù)極材料選擇氧化還原法制備的石墨烯，在鋰離子電池負(fù)極的應(yīng)用中也具有較高的比容量。通過(guò)研究石墨烯孔洞大小，發(fā)現(xiàn)其大小與鋰離子充電速率聯(lián)系較大[6]。石墨烯具有儲(chǔ)鋰空間，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有較好的功率特性。在此期間，為進(jìn)一步提高石墨烯材料應(yīng)用，很多人對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)特性及復(fù)合材料進(jìn)行了大量的研究。

2.2 在超級(jí)電容器中的應(yīng)用

在早期，超級(jí)電容電極材料中碳素材料應(yīng)用較多，且最為廣泛，有碳?xì)饽z、多孔碳、活性炭等。在石墨烯材料發(fā)現(xiàn)之后，研究人員開(kāi)始加大對(duì)石墨烯材料的研究力度，希望在超級(jí)電容器中能夠使用石墨烯材料。在研究過(guò)程中，將改性石墨烯應(yīng)用到超級(jí)電容器中，發(fā)現(xiàn)水系及有機(jī)系超級(jí)電容器的比電容較高。通過(guò)對(duì)石墨烯深入的研究，發(fā)現(xiàn)通過(guò)一些制備方式所獲得的石墨烯在使用過(guò)程中具有較好的比電容，如熱剝離碳氧化物法、加熱納米鉆石法[7]。相關(guān)人員認(rèn)為，超級(jí)電容的性能及石墨烯層數(shù)存在聯(lián)系。在不斷研究中，通過(guò)分析超級(jí)電容器良好功率特性，使石墨烯在電化學(xué)中的使用越來(lái)越多。

3 結(jié)束語(yǔ)

在結(jié)構(gòu)及性能方面，石墨烯具有較好的表現(xiàn)，并且在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)揮自身效果，得到了較為廣泛的應(yīng)用。相比于其他碳材料，石墨烯在材料科學(xué)、化學(xué)電源等方面表現(xiàn)較好，其實(shí)際應(yīng)用受到了人們較大的關(guān)注。當(dāng)前，在鋰離子電池及超級(jí)電容器中，石墨烯均取得了較好的應(yīng)用效果。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還應(yīng)該加大研究力度，進(jìn)行更加深入的探討，在不斷的探索中拓寬石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域。