石墨烯的製備及其在電化學中的運用

石墨烯的製備及其在電化學中的運用

摘要

石墨烯為新型二維碳納米材料，由於其良好的性能及結構得到了廣泛的應用，並且在世界範圍掀起了研究熱潮。在對石墨烯的研究中，經過不斷的探索，拓寬了石墨烯應用範圍，使其能充分地發揮自身價值，更好地應用到實踐中。石墨烯製備方法較多，並且具有各自的優缺點。對石墨烯製備方法進行了介紹，並且説明了其在電化學催化劑中的應用。

關鍵詞 ：石墨烯 ；製備 ；電化學 ；運用

當前，經濟發展較為迅速，各種能源較為短缺，迫切需要開發新能源。石墨烯由碳原子構成，其化學性質與石墨具有相似性，導電性、導熱率較高，具有較多優點。石墨烯能吸附且脱附各種原子及分子。石墨烯中的碳原子連接柔韌，在外部壓力的作用下，其表面會出現彎曲變形的情況，使其不必經過重新排序，也能適應外界帶來的荷載力，穩定自身結構。近年來，越來越多的人員加入石墨烯的研究中，對石墨烯的研究也日益深入，進而得到了廣泛的應用。石墨烯在多個領域具有較好的潛在應用價值，但只有獲得了結構較好的石墨烯材料，才能實現其商業化及產業化價值，因此，在石墨烯的實際應用中，需要做好其規模化製備工作。

1 石墨烯的製備方法

1.1 化學氣相沉積法

這種方法在石墨烯材料的大量製備中較為常見，應用廣泛。最初，在過渡金屬單晶鎳襯底表面通過化學氣相沉積法，能得到單層石墨烯。嘗試通過其他單晶金屬襯底表面來完成單層石墨烯的製備，經過不斷研究發現，金屬鈷單晶表面吸附及分解乙炔能生產單層石墨烯。隨着研究的不斷深入，發現其他金屬也能較好地完成石墨烯製備，如鉑、銥等。因此，在未來如果能進行不斷地研究，會找到更高效的石墨烯製備方法。但是在實際應用過程中，化學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，其襯底對其自身導電性影響較大。這種方法雖能取得缺陷少的石墨烯，但是相對來講成本較高，而且過程存在複雜性，不太適用於石墨烯的大規模製備。

1.2 電化學法

電化學法也是一種常見的石墨烯製備方法，其發展的初期階段，是將基底上的氧化石墨利用恆電位還原法還原為石墨烯片層。隨着研究力度的不斷加強，出現了一種更好的石墨烯製備方法，電極、電解液分別為石墨棒、離子溶液。將石墨片作為陽極，可通過電化學法使其剝落，進而實現石墨烯的製備。經過進一步的研究發現，所製備的石墨烯性能在很大程度上會受到電解液的影響，如種類、濃度等。在成本方面，電化學法操作過程簡易，成本較低，而且在製備期間，不會污染環境，存在較多優點。而且製備過程中，可以通過模板控制石墨烯的形狀，在實際應用過程中應用較廣。電化學法能獲得高質量的石墨烯，是一種綠色簡單的合成方法，多數人認為這將是最可能實現石墨烯工業化生產的一種方法。電化學法制備石墨烯常將重點放在石墨烯的製備上，沒有對其實際應用引起重視。相比於其他製備方法，這種製備方法能獲得較大的石墨烯，並且導電性好，也不容易出現其他缺陷，因此，通過這種方法制備的石墨烯應用範圍較廣，並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。石墨剝落後，膠帶上會存在較多石墨烯，因此還需要繼續進行剝落，直到其裂解而形成不同薄層的石墨烯薄片，結束以上操作後，膠帶會附着於基片上面，這時就可以通過丙酮分離膠帶，得到的薄片厚度及尺寸會不同，需要進行認真的選擇。單層石墨烯吸收率會受到干擾，一般在光學顯微鏡下才能看到，而且在製備數量方面也存在較大不足。

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，經過相應的處理獲得石墨烯片。這種方法操作簡便，但是也存在一定不足，操作過程中並不能保證較好的插層，進而影響剝離，因此，其所製備的石墨烯厚度較小。

1.5 表面外延生長法

這種方法主要在真空環境下通過電子束轟擊加熱升高石墨温度，在1000℃時將氧去除，20min後温度加熱至1450℃，在超真空環境下就會外延生長石墨烯（4H-SiC或6H-SiC表面），在此期間，可通過低能電子衍射方式觀察石墨烯薄片生長情況。有研究利用高温退火方式，較好地實現了6H-SiC表面外延生長石墨烯。這種方法能在SiC襯底上生成石墨烯，並且SiC本身就是半導體，性能較好，能與硅基半導體技術兼容，能進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，製備的程序較為複雜，而且不能進行大規模的製備。

2 石墨烯在電化學中的運用

2.1 在鋰離子電池中的應用

以往，鋰離子電池中常應用碳素材料，直到現在碳素在鋰離子電池中的應用依然是一個研究重點。掌握石墨烯製備方法後，就需要將石墨烯在鋰離子電池中的應用作為重點，進行深入的研究。研究發現，在鋰離子二次電池中，石墨烯作為負極材料，其比容量較高。將碳粉及碳納米管加入石墨烯材料中，能進一步增高負極比容量。負極材料選擇氧化還原法制備的石墨烯，在鋰離子電池負極的應用中也具有較高的比容量。通過研究石墨烯孔洞大小，發現其大小與鋰離子充電速率聯繫較大。石墨烯具有儲鋰空間，在實際應用過程中具有較好的功率特性。在此期間，為進一步提高石墨烯材料應用，很多人對石墨烯結構特性及複合材料進行了大量的研究。

2.2 在超級電容器中的應用

在早期，超級電容電極材料中碳素材料應用較多，且最為廣泛，有碳氣凝膠、多孔碳、活性炭等。在石墨烯材料發現之後，研究人員開始加大對石墨烯材料的研究力度，希望在超級電容器中能夠使用石墨烯材料。在研究過程中，將改性石墨烯應用到超級電容器中，發現水系及有機系超級電容器的比電容較高。通過對石墨烯深入的研究，發現通過一些製備方式所獲得的石墨烯在使用過程中具有較好的比電容，如熱剝離碳氧化物法、加熱納米鑽石法。相關人員認為，超級電容的性能及石墨烯層數存在聯繫。在不斷研究中，通過分析超級電容器良好功率特性，使石墨烯在電化學中的使用越來越多。

3 結束語

在結構及性能方面，石墨烯具有較好的表現，並且在實際應用中，發揮自身效果，得到了較為廣泛的應用。相比於其他碳材料，石墨烯在材料科學、化學電源等方面表現較好，其實際應用受到了人們較大的關注。當前，在鋰離子電池及超級電容器中，石墨烯均取得了較好的應用效果。在實際應用過程中，還應該加大研究力度，進行更加深入的探討，在不斷的探索中拓寬石墨烯應用領域。

本文來源：知網

作者：劉培芳，張宗文，韋瑞傑，郭沛音，王玲玲

通訊地址：信陽師範學院實驗室建設與設備管理處，河南信陽464000

期刊：新材料與新技術 第46卷第8期 2020年8月

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【來源：石墨烯聯盟】

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