石墨烯的制备及其在电化学中的运用

刘培芳，张宗文，韦瑞杰，郭沛音，王玲玲

（信阳师范学院实验室建设与设备管理处，河南信阳 464000)

当前，经济发展较为迅速，各种能源较为短缺，迫切需要开发新能源。石墨烯由碳原子构成，其化学性质与石墨具有相似性，导电性、导热率较高，具有较多优点[1]。石墨烯能吸附且脱附各种原子及分子。石墨烯中的碳原子连接柔韧，在外部压力的作用下，其表面会出现弯曲变形的情况，使其不必经过重新排序，也能适应外界带来的荷载力，稳定自身结构。近年来，越来越多的人员加入石墨烯的研究中，对石墨烯的研究也日益深入，进而得到了广泛的应用。石墨烯在多个领域具有较好的潜在应用价值，但只有获得了结构较好的石墨烯材料，才能实现其商业化及产业化价值，因此，在石墨烯的实际应用中，需要做好其规模化制备工作。

1 石墨烯的制备方法

1.1 化学气相沉积法

这种方法在石墨烯材料的大量制备中较为常见，应用广泛。最初，在过渡金属单晶镍衬底表面通过化学气相沉积法，能得到单层石墨烯。尝试通过其他单晶金属衬底表面来完成单层石墨烯的制备，经过不断研究发现，金属钴单晶表面吸附及分解乙炔能生产单层石墨烯。随着研究的不断深入，发现其他金属也能较好地完成石墨烯制备，如铂、铱等。因此，在未来如果能进行不断地研究，会找到更高效的石墨烯制备方法。但是在实际应用过程中，化学气相沉积法还存在一定的不足，如以这种方法制备的石墨烯，其衬底对其自身导电性影响较大。这种方法虽能取得缺陷少的石墨烯，但是相对来讲成本较高，而且过程存在复杂性，不太适用于石墨烯的大规模制备[2]。

1.2 电化学法

电化学法也是一种常见的石墨烯制备方法，其发展的初期阶段，是将基底上的氧化石墨利用恒电位还原法还原为石墨烯片层。随着研究力度的不断加强，出现了一种更好的石墨烯制备方法，电极、电解液分别为石墨棒、离子溶液。将石墨片作为阳极，可通过电化学法使其剥落，进而实现石墨烯的制备。经过进一步的研究发现，所制备的石墨烯性能在很大程度上会受到电解液的影响，如种类、浓度等。在成本方面，电化学法操作过程简易，成本较低，而且在制备期间，不会污染环境，存在较多优点。而且制备过程中，可以通过模板控制石墨烯的形状，在实际应用过程中应用较广[3]。电化学法能获得高质量的石墨烯，是一种绿色简单的合成方法，多数人认为这将是最可能实现石墨烯工业化生产的一种方法。电化学法制备石墨烯常将重点放在石墨烯的制备上，没有对其实际应用引起重视。相比于其他制备方法，这种制备方法能获得较大的石墨烯，并且导电性好，也不容易出现其他缺陷，因此，通过这种方法制备的石墨烯应用范围较广，并且取得了较好的效果。

1.3 透明胶带法

这种方法就是利用胶带从石墨晶体中分离出石墨烯。石墨剥落后，胶带上会存在较多石墨烯，因此还需要继续进行剥落，直到其裂解而形成不同薄层的石墨烯薄片，结束以上操作后，胶带会附着于基片上面，这时就可以通过丙酮分离胶带，得到的薄片厚度及尺寸会不同，需要进行认真的选择。单层石墨烯吸收率会受到干扰，一般在光学显微镜下才能看到，而且在制备数量方面也存在较大不足[4]。

1.4 石墨插层法

这种方法主要为利用天然石墨，在石墨层间插入非碳性材料的原子、分子、离子等，形成新的层状化合物。以上操作能使石墨片层间作用削弱，经过相应的处理获得石墨烯片。这种方法操作简便，但是也存在一定不足，操作过程中并不能保证较好的插层，进而影响剥离，因此，其所制备的石墨烯厚度较小。

1.5 表面外延生长法

这种方法主要在真空环境下通过电子束轰击加热升高石墨温度，在1 000℃时将氧去除，20min后温度加热至1 450℃，在超真空环境下就会外延生长石墨烯（4H-SiC或6H-SiC表面），在此期间，可通过低能电子衍射方式观察石墨烯薄片生长情况[5]。有研究利用高温退火方式，较好地实现了6H-SiC表面外延生长石墨烯。这种方法能在SiC衬底上生成石墨烯，并且SiC本身就是半导体，性能较好，能与硅基半导体技术兼容，能进一步提高电子器件可行性。这种方法也能取得缺陷少的石墨烯，但是成本较高，制备的程序较为复杂，而且不能进行大规模的制备。

2 石墨烯在电化学中的运用

2.1 在锂离子电池中的应用

以往，锂离子电池中常应用碳素材料，直到现在碳素在锂离子电池中的应用依然是一个研究重点。掌握石墨烯制备方法后，就需要将石墨烯在锂离子电池中的应用作为重点，进行深入的研究。研究发现，在锂离子二次电池中，石墨烯作为负极材料，其比容量较高。将碳粉及碳纳米管加入石墨烯材料中，能进一步增高负极比容量。负极材料选择氧化还原法制备的石墨烯，在锂离子电池负极的应用中也具有较高的比容量。通过研究石墨烯孔洞大小，发现其大小与锂离子充电速率联系较大[6]。石墨烯具有储锂空间，在实际应用过程中具有较好的功率特性。在此期间，为进一步提高石墨烯材料应用，很多人对石墨烯结构特性及复合材料进行了大量的研究。

2.2 在超级电容器中的应用

在早期，超级电容电极材料中碳素材料应用较多，且最为广泛，有碳气凝胶、多孔碳、活性炭等。在石墨烯材料发现之后，研究人员开始加大对石墨烯材料的研究力度，希望在超级电容器中能够使用石墨烯材料。在研究过程中，将改性石墨烯应用到超级电容器中，发现水系及有机系超级电容器的比电容较高。通过对石墨烯深入的研究，发现通过一些制备方式所获得的石墨烯在使用过程中具有较好的比电容，如热剥离碳氧化物法、加热纳米钻石法[7]。相关人员认为，超级电容的性能及石墨烯层数存在联系。在不断研究中，通过分析超级电容器良好功率特性，使石墨烯在电化学中的使用越来越多。

3 结束语

在结构及性能方面，石墨烯具有较好的表现，并且在实际应用中，发挥自身效果，得到了较为广泛的应用。相比于其他碳材料，石墨烯在材料科学、化学电源等方面表现较好，其实际应用受到了人们较大的关注。当前，在锂离子电池及超级电容器中，石墨烯均取得了较好的应用效果。在实际应用过程中，还应该加大研究力度，进行更加深入的探讨，在不断的探索中拓宽石墨烯应用领域。