石墨烯基超级电容器电极材料研究进展..

**大学研究生课程考试（查）论文2014——2015学年第二学期

《石墨烯基超级电容器电极材料研究进展》

课程名称：材料化学

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石墨烯基超级电容器电极材料研究进展

摘要：超级电容器是目前研究较多的新型储能元件，其大的比电容、高的循环稳定性以及快速的充放电过程等优良特性，使其在电能储存及转化方面得到广泛应用。超级电容器的电极材料是它的技术核心。石墨烯作为一种新型的纳米材料，具有良好的导电性和较大的比表面积，可作为超级电容器的电极材料。利用其他导电物质对石墨烯进行改性和复合，可以在保持其本身独特优点的同时提高作为电极材料的导电率、循环稳定性等其他性能。本文对近年来石墨烯基电极材料在两种不同类型超级电容器中的应用研究进行了综述。

关键词：超级电容器；石墨烯；导电聚合物；金属氧化物

随着人类社会赖以生存的环境状况的日益恶化，过多的CO2排放造成气候变化不稳定，人们对能源的开发和研究重点已经转移到绿色能源（如太阳能、风能等）上面[1, 2]，但是它们是靠大自然的资源来储能和转化能量的，其发电能力极大程度要受到自然环境以及季节变化的影响，如果被广泛应用于日常生活，有很多不稳定性，这也是目前太阳能、风能领域的瓶颈。超级电容器，又称作电化学电容器，是一种既稳定又环保的新型储能元件。它具有充电时间短、使用寿命长、功率密度高、安全系数高、节能环保、低温特性好等优点。超级电容器在现代科技、工业、航天事业方面的应用都十分广泛，它代表了高储能技术的一次突破。目前，国内在相关方面做了许多研究，并实现了商业化生产。但是，它们的广泛应用还存在，例如，能量密低、成本过高等问题。

从原理出发，超级电容器可分为双电层电容器和法拉第赝电容器两类。两者均是由多孔双电极、电解质、集流体、隔离物4部分所构成（超级电容器结构如图1所示）。为了减小接触电阻，要求电解质和电极材料紧密接触；隔离物的电子电导要低，离子电导要高，以保证电解质离子顺利穿透。双电层电容器是利用双电极和电解质组成的双电层结构来实验充放电储能的。当在两电极上施加电压，电解质被电离产生正负离子，由于电荷补偿，正离子移向负电极，负离子移向正电极，这样就在电极与电解质界面处产生双电层。由于这个双电层是由相反电荷层构成，如同普通平板电容器一样，但是此双电层间距很小，是原子尺寸量

级，因此电容比普通电容器大得多。法拉第赝电容器是与电极充电电位有关的电容器，其原理是电活性物质在电极材料表面活体相中的二维或准二维空间上进行欠电位沉积，从而发生可逆的化学吸附、脱附或氧化还原反应。当电极在外加电场作用下时，电解液中离子发生迁移，扩散到电极与电解液界面处，发生电化学反应，从而进入到电极表面的活性氧化物体相中，实现电荷存储，放电时，离子又回到电解液，释放存储的电荷，如此反复实现充放电。

图1 超级电容器结构示意图

电极材料是超级电容器实现电荷存储并直接影响电容器的性能和生产成本的重要部分，其导电性和比表面积是重要参数，大的比表面积可以吸附更多的电解液离子，能够存储或者释放更多的电荷。因此，对超级电容器的研究重点就放在了高比表面积、低成本和高导电率的电极材料上。从现在的研究进展看，可以作为超级电容器电极材料[2, 3]的主要有过渡金属氧化物[4]、有机导电聚合物以及碳纳米管[5]、活性炭[6]、碳气凝胶[7]等多孔性炭材料。

作为新型碳材料的石墨烯（G），其物理结构稳定、比表面积大、导电性良好，利用其他导电物质对其进行改性、复合得到的G基复合物[8]已成为超级电容器电极材料研究的热门方向。尽管G本身具有大比表面积和高电导率以及其稳定的表面结构使其很难被电解液侵蚀，因此其适合作为超级电容器的电极材料，以获得大的电容量；但是，纳米级的G片层之间存在的较大的分子间作用力导致其易发生团聚而使得比表面积降低。为了克服这一缺点，人们试着采用各种无机、有机、金属物质对G或者氧化石墨烯（GO）进行表面改性和复合，以使G 为基底的电极材料不仅能有高的导电性能，而且有尽可能大的比表面积。本文对近年来石墨烯基电极材料在三种不同类型超级电容器中的应用研究综述如下。

1.石墨烯基双电层电容器

石墨烯具有优异的导电性、柔韧性、力学性能和很大的比表面积，自身可作为双电层超级电容器的电极材料。但无论是石墨烯、氧化石墨烯还是还原氧化石墨烯（RGO），它们在制备过程中均容易发生堆叠，影响石墨烯材料在电解质中的分散性和表面可浸润性，降低了石墨烯材料的有效比表面积和电导率。因此，避免石墨烯堆叠是制备高能量密度和高功率密度石墨烯基超级电容器的技术难题之一。Zhang[9]等将各种表面活性剂，如四丁基氢氧化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠等嵌入到氧化石墨烯片中，缓解氧化石墨烯在还原过程中的堆叠现象，使表面活性剂有效地存在于石墨烯和氧化石墨烯片中，促进了材料表面的浸润性，使材料能够很好地分散，提高了材料的比容量。研究结果表明，在2mol/L的H2SO4水溶液中，采用四丁基氢氧化铵作为表面活性剂制备的电极材料在1A/g电流密度下的比容量达到194F/g。Yoon等[10]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，有效地提高了还原氧化石墨烯的比表面积和孔隙率，分别为1435.4m2/g和4.1cm3/g，显著提升了该材料作为双电层电容器电极的性能。在6.0 mol/L的KOH水溶液中、1A/g的电流密度下，比容量达236F/g；在30A/g的电流密度下，比容量仍然达到171.2F/g。Wang等[11]将柔性石墨烯纸与炭黑纳米粒子通过普通的真空抽滤方法制备了复合电极材料，由于炭黑纳米粒子的存在，有效缓解了抽滤过程中石墨烯自发的堆叠过程，使制备的复合材料电化学性能超过了纯石墨烯纸的7倍，其最大的能量密度可达26W·h/kg，功率密度达5.1kW/kg。石墨烯层间距的控制对于避免石墨烯片层的堆叠、充分发挥石墨烯优异结构特性与电化学性能具有重要作用。Hantel等[12]通过控制真空热还原的加热速度和还原温度，获得不同层间距的石墨烯和含不同氧官能团的石墨烯，并将其用作超级电容器的电极材料。研究发现，其电极比电容与石墨烯的层间距、石墨烯上的含氧官能团和使用的电解质均有很大的关系，当层间距为0.43nm，己腈作为溶剂时，其比电容达到了220F/g，组成对称超级电容器时其比电容达到了195F/g。杨晓伟等[13]利用化学转化石墨烯在水溶液中的高分散性，采用过滤的方法在滤膜和溶液界面可控制备了石墨烯片层定向分布的化学转换石墨烯水凝胶（chemically converted graphene，CCG），获得了石墨烯片层之间π-π吸引力和溶剂化的排斥

力之间的平衡点，具有良好的力学强度，可以直接作为超级电容器的电极应用。在此基础上，为了确保实际应用中石墨烯电极内部的片层网络结构，采用毛细管压缩过程（capillary compression procedure），以CCG为前驱体，先通过真空过滤形成CCG膜，再将CCG膜浸润在不同比例的挥发性/非挥发性物质混合溶液中，通过毛细压缩作用，非挥发性物质、硫酸或离子液体（EMIMBF4）与水置换进入石墨烯片层间形成液体介导的致密性石墨烯基薄膜（如EM-CCG）（图2）。

图2 软化学法制备EM-CCG 薄膜过程示意图

图3 EM-CCM薄膜与干CCG膜的形貌与基本性质[14]

（a）-（f）EM-CCG膜（ρ=0.069，0.39，0.65，0.97，1.25 g/cm3）

和干CCG膜（ρ=1.49 g/cm3）SEM图；

（g）嵌入EMIMBF4体积分数与CCG 堆积密度及估算的石墨烯片层间距关系；

（h）EM-CCG 薄膜电导率和内阻

由于进入石墨烯片层的离子液体与水/离子液体混合比例有关，不同EMIMBF4体积比将形成堆积密度和石墨烯片层间距不同的EM-CCG薄膜，其电导率及内阻也不相同，所制备EM-CCG薄膜基本形貌与性质如图3所示。

除了避免石墨烯材料的堆叠外，要制备高性能石墨烯基超级电容器，如何实现孔隙率高、致密性好、有效比表面积大和离子迁移电阻低是另一关键问题。Wang等[15]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80A/g的电流密度下，其能量密度达322W·h/kg，功率密度达116kW/kg，充放电循环3000次后几乎没有递减。Luan等[16]通过石墨烯与乙二胺联氨还原形成了电导率高、比表面积大和3D结构稳定的氧化石墨烯气凝胶，该气凝胶电导率达到1351S/m，比表面积为745m2/g，断裂强度达到10.3 MPa，比电容达到232 F/g。

2.石墨烯基法拉第准电容器

石墨烯虽然可以单独作为超级电容器电极材料，但其理论比容量仅有329 F/g，限制了该材料的大规模应用[17]。如何既利用石墨烯优异的性能又突破石墨烯的理论比容量是石墨烯基电极材料的应用难题。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热点之一。

2.1官能团修饰石墨烯基电极

Khanra等[18]在含有9-蒽羧酸的溶液中通过电化学脱离的方法一步制备了蒽羧酸修饰的石墨烯，由于蒽羧酸官能团的赝电容特性，蒽羧酸修饰石墨烯作为超级电容器电极材料时，在1mol/L的H2SO4溶液中其最大比容量达到577 F/g，经过1000次充放电后，比容量保持率为83.4%。Ghosh等[19]制备了1-芘羧酸修饰的石墨烯，在6mol/L的KOH水溶液中，其比电容达到200F/g，远大于没有修饰的石墨烯比电容（30 F/g）。通过苯并唑和苯并咪唑接枝的石墨烯，在石墨烯的官能团反应中引入了环状反应，有效地缓解了石墨烯片的堆叠反应，所制得的修饰石墨烯呈现皱状和卷曲状形貌[20]，当作为超级电容器电极时，以1mol/L的H2SO4水溶液为电解质，在0.1A/g的电流密度下，苯并唑修饰石墨烯比电容达到730F/g，苯并咪唑修饰石墨烯比电容达到781F/g。

氮掺杂石墨烯对其电容性能也有很大的提升。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[21]，在6mol/L的KOH水溶液中，比容量最高达到461F/g，但氮掺杂引起的比容量的增加机理仍有待进一步研究。

2.2 导电聚合物/石墨烯复合电极

导电聚合物是一类赝电容电极材料，其容量远大于基于双电层储能机理的碳材料超级电容器。因此，石墨烯材料与导电聚合物形成的复合材料能够兼顾石墨烯的高比表面积、高电导率和导电聚合物的高比容量，在构建法拉第赝电容器中具有重要的作用。

常见的导电聚合物电极材料为聚吡咯和聚苯胺，如何通过简单的步骤制备它们与石墨烯的复合材料，并使其具有优异的电容性能是该方面研究的重点。Qian 等[22]通过静电相互作用和π-π堆积作用的原理合成了核壳结构的聚吡咯/还原氧化石墨烯复合材料，该材料具有大的比表面积和优异的导电性，当还原氧化石墨烯与聚吡咯的质量比为1︰1时，该核壳结构复合材料在1mol/L KCl水溶液中作为电容器电极材料时具有优异的循环性能，在0.5A/g的电流密度下，比容量达到了557F/g，最高的功率密度和能量密度分别达到了0.22kW/kg和49.5W·h/kg。Liu等[23]制备了聚吡咯/石墨烯片复合材料，以2mol/L的H2SO4水溶液作为电解质，在0.3A/g电流密度下，其比容量达到400F/g。Mao等[24]在含有四丁基氢氧化铵或十二烷基苯磺酸钠作为表面活性剂的溶液中原位聚合合成了石墨烯/聚苯胺纳米纤维复合材料（图4），在2mol/L的H2SO4水溶液电解液中以0.2A/g电流密度充放电下，其最大比容量达526F/g。

图4 石墨烯/聚苯胺纳米纤维复合材料制备示意图[24]

采用类似的方法，在溴化十六烷基三甲铵作为表面活性剂的溶液中制备了石墨烯/聚吡咯纳米线复合材料[25]，在1mol/L的H2SO4水溶液电解液中以0.2 A/g 电流密度充放电下，其最大比容量达到492F/g。Cong等[26]制备了大面积的石墨烯/聚苯胺复合纸，该复合纸质量轻（0.2g/cm），电导率高（15?/sq），且具有很好的柔韧性，可加工成不同形状和大小的电极，作为超级电容器的电极时，在

1mol/L的H2SO4水溶液中，1A/g电流密度下，其比容量达到763F/g，对发展柔韧性强的超级电容器具有重要意义。Lai等[27]系统研究了不同官能团修饰的石墨烯与聚苯胺复合材料的电化学性能，比较了氧化石墨烯、化学还原氧化石墨烯、氮掺杂的还原氧化石墨烯和胺修饰的还原氧化石墨烯的电化学性能，以及它们与聚苯胺（质量分数为9%）形成复合材料的电化学性能。结果表明，胺修饰的还原氧化石墨烯/聚苯胺具有最大的比电容，达到500F/g，且循环性能稳定，充放电循环680次后容量没有递减。Jaidev等[28]制备了聚对苯二胺/石墨烯复合材料，当聚合物与石墨烯的质量比为1︰2时，其比容量最高，在2A/g的电流密度下达到248F/g，其最大能量密度可达8.6 W·h/kg，该材料结构比较稳定，在10A/g的电流密度下，1000次充放电循环后，容量保持率仍为72%。对于石墨烯片，与有机物发生聚合反应时，通常是利用石墨烯片边缘的含氧官能团参与聚合反应，而Liu等[29]将氧化石墨烯经过草酸处理，在石墨烯片基面修饰上羟基官能团，与聚苯胺形成复合材料，由于材料之间有效的黏合，使材料能更快速地传递电子，在1mol/L的H2SO4水溶液中，在0.3A/g电流密度下，比容量达到525 F/g。2.3金属氧化物或金属氢氧化物/石墨烯复合电极

金属氧化物作为赝电容电极材料的研究已经持续了几十年，虽然金属氧化物比容量很高，但金属氧化物的高价格和低电导率难题一直没有被很好地解决，而金属氧化物与石墨烯形成复合材料，可以降低金属氧化物用量，同时提高材料的电导率和有效比表面积。Xiang等[30]制备了还原氧化石墨烯/TiO2纳米带和还原氧化石墨烯/TiO2纳米粒子复合材料并作为超级电容器电极材料，当还原氧化石墨烯与TiO2纳米带的用量比为7︰3时，其电化学性能最为优异，以1mol/L的Na2SO4水溶液作为电解质，0.125A/g的电流密度下，其比容量达到225F/g，比纯还原氧化石墨烯、TiO2和还原氧化石墨烯/TiO2纳米粒子复合材料更高，且循环性能优异。

在空气环境中制备的MnO2纳米颗粒容易团聚，比表面积一般在80m2/g，Lee等[31]利用CO2超临界流体制备了直径约为5nm的MnO2纳米棒，其比表面积达245m2/g。与石墨烯纳米片形成复合材料时，因为MnO2纳米棒和CO2超临界流体的存在，缓解了石墨烯片的堆叠，从而在电极内部构筑了更多的电解质通道，使材料具有更好的电化学性能。氧化石墨烯的含氧官能团常常不能充分还原，将针状MnO2纳米粒子与不同还原程度的氧化石墨烯形成复合材料，在1mol/L 的Na2SO4水溶液中，其比电容为74.8-124 F/g。结果表明，含氧官能团的存在会增加复合材料的电阻，但有益于MnO2在石墨烯中的分散和电解液的渗透，因此氧化石墨烯中的含氧官能团对材料的电容性质起着很重要的作用[32]。另外，基于石墨烯的复合电极材料常常需要用到黏结剂，而黏结剂的使用会降低复合材料的电导率，Li等[33]提出了一种制备石墨烯/MnO2复合纸电极的简单3步法，真空热还原氧化石墨烯/MnO2的复合纸片获得无黏结剂、柔韧性好的石墨烯

/MnO2复合纸电极，在0.1mol/L的Na2SO4水溶液中，MnO2含量为24%的电极比容量在0.5A/g的电流密度下达256F/g，循环性能优异。

3.结语

超级电容器作为一种新型的储能器件，它的安全性、稳定循环性、高比电容、环保等优异特点使其有着很大的发展潜力，超级电容器的发明和发展，为现代社会的进步提供了很大的推动力。它弥补了风能、太阳能等受大自然影响的能源的缺陷，提高了电网的使用效率和稳定性，使人们减少对石油的依赖。根据超级电容器的工作原理知道，决定超级电容器储能效率等重要指标的部分就是其电极材料，G基复合材料是目前超级电容器电极材料的较好的一种选择，G本身大的比表面积和高的导电率，通过与上述介绍的这些材料复合，由于两者的协同增效作用，不仅可以克服G易团聚而比表面积降低的缺点，还可进一步降低成本，提高比电容，增加循环稳定性。无论从理论结构上还是实际生产中分析，G基复合材料都适合做超级电容器的电极材料，但是具体哪种复合材料的合成工艺和电化学效率最高、性能最优、成本最低，还有哪些新的G基复合材料可以提高电极材料的导电率等这些问题都还需要继续研究。

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石墨烯基材料做电极材料的机遇与挑战

石墨烯基材料做电极材料的机遇与挑战近年来,高性能电化学储能装置的需求量大幅上升,于是很多学者都开始投入到对更卓 越电极材料的开发和研究中。在这方面，石墨烯基材料吸引了大量目光。由于能提升现有设备性能，并使下一代设备更实用，石墨烯基材料被看作是前景深远的高性能电极材料。 碳材料广泛应用于不同的储能设备，并发挥着非常重要的作用。然而，由于多孔碳材料和纳米碳材料密度低，高碳含量电极的存储密度也总是很低，因而造成体积能量密度低。 尽管石墨烯也面临同样问题，甚至情况更严重，但经过石墨烯和电极结构设计的可控组合，还是可以得到高密度石墨烯基电极。此外，在许多情况下，组装的集成石墨烯基电极不含任何导电剂和粘结剂，因此能进一步帮助提升体积能量密度。

作为电化学储能装置的潜在电极材料，石墨烯具有许多其他传统碳材料和纳米碳材料所没有的优越性。石墨烯物理结构稳定、比表面积大、导电性良好，对大多数电化学储能装置来说，它几乎是一种完美材料。 此外，石墨烯的输出性能也取得了很多令人瞩目的进步：利用二维层状结构能构建出各种三维结构，还具备可调节的孔隙结构。我们在论文中综述了石墨烯基材料在液态锂离子电池、锂硫电池、锂氧电池、NIB和SC等方面的应用。我们研究发现，将石墨烯应用于这些装置，能大大提高其性能。 石墨烯的几个显著优势如下： 1.石墨烯在实际应用于非碳材料时，是一种有利的碳基材。它应用容易，比表面积大，使得在其表面实现其他活性成分的杂交和均匀散布更加容易，这也极大提高了这些成分的利用率。此外，利用石墨烯在两个活性粒子甚至是整个电极间构建互联的导电网络也是轻而易举。这样的网络有助于提高电极的循环稳定性。 2.通过在装置中使用石墨烯代替传统碳材料，能实现高体积能量密度。石墨烯为高体积能量密度装置的组装提供了潜在解决方案。 3.柔性石墨烯有望制造柔性储能装置。使用石墨烯及其组件可以制备出具有高度柔韧性的集流体，为我们提供了一种取代脆性金属集流体的方法。此外，利用石墨烯还能制备出集成柔性电极，有助于解决在反复弯曲过程中集流体活性材料分离的问题。 除了以上几点，石墨烯相较于传统碳材料还具有多种优越性能，可能有助于促进各种新型电池系统的实际应用。新近研究报告指出，高能室温钠硫电池通过碳/硫复合材料作为电极。我们可以预料，石墨烯可以进一步帮助提升这类电池的性能。还有研究发现，石墨烯基复合材料可作为锌空气电池的高效电催化剂。在种种结果之上，我们不难看出，石墨烯在未来能源储存装置应用中的巨大潜力。

石墨烯在超级电容器中的应用

石墨烯在超级电容器中的应用 前言本文对超级电容器分别从定义，工作原理，特点和分类做了简单介绍，然后以南开大学陈永胜教授的一篇综述介绍了石墨烯在超级电容器中的应用，并做了具体的例证分析。 关键词：超级电容器石墨烯修饰石墨烯 在储能领域的发展史上，大致可以分为第一代机械师储能，比如飞轮、发条，第二代化学式储能，如铅酸电池、镍氢镍镉电池以及锂离子电池等，第三代物理式储能如超级电容器。超级电容器其实在我们生活中无处不在，如交通领域，在火车、巴士、汽车、卡车，能源领域，如新能源、风能和太阳能、电网削峰填谷、能量回收，工业领域，如起重机、阀门、挖掘机以及一些重型设备等，在电子领域，如硬盘、存储器和后备电源。超级电容器已经是我们生活中必不可少的一部分，它在我们的社会中扮演着一个必不可少的角色，所以我们有必要深入地去了解一下什么是超级电容器。 超级电容器（supercapacitors），又称为电化学电容器（ECs）。是一种介于电池和传统电容器之间的新型储能元件。它是一种功率型的储能器件，通过电极材料与电解液界面形成双电层，或电极表面快速的氧化还原反应来储存电能。主要包括：电极材料、集流体、电解液 和隔膜，原理图如下：

超级电容器有如下特点：（1）超高比容量（0.1-6000F）。比传统电容器同体积电容量大2000-6000倍。（2）充电速度快，只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的95%以上；而现在使用较多的铅酸电池、锂离子电池等充电通常需要几个小时。（3）超长寿命，充放电大于40万次。（4）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；（5）温度范围宽：–40~ +70℃，一般电池是–20 ~ +60℃。（6）免维护，环境友善。 它和我们常见的化学式储能的电池相比，以及和传统电容器在功率密度和能量密度上的比较如下图所示： 超级电容器按机理可以分为两类：一类是双电层电容，依靠物理

石墨烯聚乳酸复合材料

Preparation of Polylactide/Graphene Composites From Liquid-Phase Exfoliated Graphite Sheets Xianye Li,1Yinghong Xiao,2Anne Bergeret,3Marc Longerey,3Jianfei Che1 1Key Laboratory of Soft Chemistry and Functional Materials,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing210094,China 2Jiangsu Collaborative Innovation Center of Biomedical Functional Materials,Jiangsu Key Laboratory of Biomedical Materials,College of Chemistry and Materials Science,Nanjing Normal University, Nanjing210046,China 3Materials Center,Ales School of Mines,30319Ales Cedex,France Polylactide(PLA)/graphene nanocomposites were pre-pared by a facile and low-cost method of solution-blending of PLA with liquid-phase exfoliated graphene using chloroform as a mutual solvent.Transmission electron microscopy(TEM)was used to observe the structure and morphology of the exfoliated graphene. The dispersion of graphene in PLA matrix was exam-ined by scanning electron microscope,X-ray diffrac-tion,and TEM.FTIR spectrum and the relatively low I D/I G ratio in Raman spectroscopy indicate that the structure of graphene sheets(GSs)is intact and can act as good reinforcement fillers in PLA matrix.Ther-mogravimetric analysis and dynamic mechanical analy-sis reveal that the addition of GSs greatly improves the thermal stability of PLA/GSs nanocomposites.More-over,tensile strength of PLA/GSs nanocomposites is much higher than that of PLA homopolymer,increasing from36.64(pure PLA)up to51.14MPa(PLA/GSs-1.0). https://www.sodocs.net/doc/292721181.html,POS.,35:396–403,2014.V C2013Society of Plastics Engineers INTRODUCTION Polylactide(PLA),a renewable,sustainable,biode-gradable,and eco-friendly thermoplastic polyester,has balanced properties of mechanical strength[1],thermal plasticity[2],and compostibility for short-term commod-ity applications[3,4].It is currently considered as a promising polymer for various end-use applications for disposable and degradable plastic products[5–8].Never-theless,improvement in thermal and mechanical proper-ties of PLA is still needed to pursue commercial success. To achieve high performance of PLA,many studies on PLA-based nanocomposites have been performed by incorporating nanoparticles,such as clays[9,10],carbon nanotubes[11–13],and hydroxyapatite[14].However, research on PLA-based nanocomposites containing gra-phene sheets(GSs)or graphite nanoplatelets has just started[15–17].GSs exhibit unique structural features and physical properties.It has been known that GSs have excellent mechanical strength(Young’s modulus of1,060 GPa)[18],electrical conductivity of104S/cm[19],high specific surface area of2,630m2/g[20],and thermal sta-bility[21].Polymer nanocomposites based on graphene show substantial property enhancement at much lower fil-ler loadings than polymer composites with conventional micron-scale fillers,such as glass[22]or carbon fibers [23],which ultimately results in lower filler ratio and simple processing.Moreover,the multifunctional property enhancement of nanocomposites may create new applica-tions of polymers. However,the incorporation of graphene into PLA matrix is restricted by cost and yield.Although the weak interactions that hold GSs together in graphite allow them to slide readily over each other,the numerous weak bonds make it difficult to separate GSs homogeneously in sol-vents and polymer matrices[24].Many methods have been reported for exfoliation of graphite,such as interca-lation with alkali metals[25]or oxidation in strong acidic conditions[26–29].Recently,exfoliation of graphite in liquid-phase was found to be able to give oxide-free GSs with high quality and yield at relatively low cost[30–35]. Correspondence to:Y.H.Xiao;e-mail:yhxiao@https://www.sodocs.net/doc/292721181.html, or J.F.Che; e-mail:xiaoche@https://www.sodocs.net/doc/292721181.html, Contract grant sponsor:Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China;contract grant number: 20123219110010;contract grant sponsor:Natural Science Foundation of Jiangsu Province of China;contract grant number:BK2012845;contract grant sponsors:Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions(PAPD),contract grant sponsor:Financial support for short visit from Ales School of Mines,France. DOI10.1002/pc.22673 Published online in Wiley Online Library(https://www.sodocs.net/doc/292721181.html,). V C2013Society of Plastics Engineers POLYMER COMPOSITES—2014

石墨烯复合材料的研究及其应用

石墨烯复合材料的研究及其应用 任成，王小军，李永祥，王建龙，曹端林 摘要：石墨烯因其独特的结构和性能，成为物理化学和材料学界的研究热点。本文综述了石墨烯复合材料的结构和分类，主要包括石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。并简述石墨烯复合材料在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。 关键词：石墨烯；复合材料；纳米粒子；含能材料 Research and Application of Graphene composites ABSTRACT: Graphene has recently attracted much interest in physics,chemistry and material field due to its unique structure and properties. This paper reviews the structure and classification of graphene composites, mainly inclouding graphene-nanoparticles composites, graphene-polymer composites and graphene-carbonmaterials composites. And resume the application of graphene composites in the field of catalysis, electrochemistry, biological medicine and energetic materials. Keywords: graphene; composites; nanoparticles; energetic materials 石墨烯自2004年曼彻斯特大学Geim[1-3]等成功制备出以来，因其独特的结构和性能，颇受物理化学和材料学界的重视。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法，晶体外延法，化学气相沉积法，插层剥离法以及采用氧化石墨烯的高温脱氧和化学还原法等[4-10]。与碳纳米管类似，石墨烯很难作为单一原料生产某种产品，而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合．从而获得具有优异性能的新型复合材料。而氧化石墨烯由于其特殊的性质和结构，使其成为制备石墨烯和石墨烯复合材料的理想前驱体。本文综述了石墨烯复合材料的结构、分类及其在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。

石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用

石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用石墨烯(Graphene)是一种仅由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型晶格的平面薄膜，亦即只有一个碳原子厚度的二维材料。相比其他炭材料如碳纳米管，石墨烯具有独特的微观结构，这使得石墨烯具有较大的比表面积和蜂窝状空穴结构，具有较高的储锂能力。此外，材料本身具有良好的化学稳定性、高电子迁移率以及优异的力学性能，使其作为电极材料具有突出优势。与碳纳米管类似，纯石墨烯材料由于首次循环库仑效率低、充放电平台较高以及循环稳定性较差等缺陷并不能取代目前商用的炭材料直接用作锂离子电池负极材料。随着制备技术的发展，通过控制石墨烯片层间的间距，防止固体电介质层的形成大量消耗锂离子，并合理平衡缺陷结构与“死锂”的产生也许是石墨烯材料进一步向实用化材料发展的方向之一。 1.硅-石墨烯基复合材料在锂电池负极材料中的应用 石墨烯也是对硅负极进行改性的重要骨架材料。它能够提供自由空间来缓冲充放电过程中的体积效应，保证脱嵌锂过程中材料结构的完整性；同时，石墨烯片层间能形成稳定的导电网络，从而提高电极的储锂性能。Lee等将纳米硅颗粒高度分散在石墨烯薄片上，然后进行热处理还原得到硅-石墨烯复合材料，电化学测试表明，该复合材料经过50个循环后，容量大于2200mA·h/g，200个循环后容量大于1500mA·h/g，每个循环的衰减率小于0.5%。该复合材料优异的电化学性能得益于纳米硅颗粒均匀分散在柔韧的石墨烯层间，不仅改善了硅的电子电导，而且有效缓冲了硅的体积效应。 高鹏飞通过喷雾干燥技术将二维的石墨烯加工成具有三维结构的导电网络，同时将纳米硅粉包裹在其内部空腔内，得到了一种“包裹型”硅碳复合材料。该材料具有高达1525mA·h/g 的比容量和较好的循环稳定性。这得益于硅与石墨烯的协同效应，纳米硅粒可分隔石墨烯层，防止其堆叠失效；而石墨烯层可以缓冲硅的体积效应，其导电网络结构可改善活性硅颗粒的电接触，维持材料结构稳定。Ma等通过喷雾干燥法合成具有浴花形状的硅-石墨烯复合材料（见图1）。电化学测试表明，该复合材料的首次充放电容量分别为2174mA·h/g和1252mA·h/g，经过30个循环后，可逆容量仍保持在1500mA·h/g以上。其优异的电化学性能归因于这种特殊的浴花状结构以及石墨烯与纳米硅颗粒之间的协同作用，石墨烯提供足够的空间来缓冲充放电过程中硅的体积变化，并防止硅颗粒的聚集。此外，高导电性的石墨烯包裹活性纳米硅颗粒，从而保持其循环过程中稳定的电接触。

石墨烯基超级电容器电极材料研究进展..

**大学研究生课程考试（查）论文2014——2015学年第二学期 《石墨烯基超级电容器电极材料研究进展》 课程名称：材料化学 任课教师： 学院： 专业： 学号： 姓名： 成绩：

石墨烯基超级电容器电极材料研究进展 摘要：超级电容器是目前研究较多的新型储能元件，其大的比电容、高的循环稳定性以及快速的充放电过程等优良特性，使其在电能储存及转化方面得到广泛应用。超级电容器的电极材料是它的技术核心。石墨烯作为一种新型的纳米材料，具有良好的导电性和较大的比表面积，可作为超级电容器的电极材料。利用其他导电物质对石墨烯进行改性和复合，可以在保持其本身独特优点的同时提高作为电极材料的导电率、循环稳定性等其他性能。本文对近年来石墨烯基电极材料在两种不同类型超级电容器中的应用研究进行了综述。 关键词：超级电容器；石墨烯；导电聚合物；金属氧化物 随着人类社会赖以生存的环境状况的日益恶化，过多的CO2排放造成气候变化不稳定，人们对能源的开发和研究重点已经转移到绿色能源（如太阳能、风能等）上面[1, 2]，但是它们是靠大自然的资源来储能和转化能量的，其发电能力极大程度要受到自然环境以及季节变化的影响，如果被广泛应用于日常生活，有很多不稳定性，这也是目前太阳能、风能领域的瓶颈。超级电容器，又称作电化学电容器，是一种既稳定又环保的新型储能元件。它具有充电时间短、使用寿命长、功率密度高、安全系数高、节能环保、低温特性好等优点。超级电容器在现代科技、工业、航天事业方面的应用都十分广泛，它代表了高储能技术的一次突破。目前，国内在相关方面做了许多研究，并实现了商业化生产。但是，它们的广泛应用还存在，例如，能量密低、成本过高等问题。 从原理出发，超级电容器可分为双电层电容器和法拉第赝电容器两类。两者均是由多孔双电极、电解质、集流体、隔离物4部分所构成（超级电容器结构如图1所示）。为了减小接触电阻，要求电解质和电极材料紧密接触；隔离物的电子电导要低，离子电导要高，以保证电解质离子顺利穿透。双电层电容器是利用双电极和电解质组成的双电层结构来实验充放电储能的。当在两电极上施加电压，电解质被电离产生正负离子，由于电荷补偿，正离子移向负电极，负离子移向正电极，这样就在电极与电解质界面处产生双电层。由于这个双电层是由相反电荷层构成，如同普通平板电容器一样，但是此双电层间距很小，是原子尺寸量

硅石墨烯复合负极材料体积膨胀及SEI膜地原因机理及解决方法

硅/石墨烯复合负极材料 1、硅体积膨胀的原因及反应机理 迄今为止，负极材料中硅的理论容量最高，Li 和Si 形成合金LixSi （0

固相非晶化过程（electrochemically-driven solid-state amorphization）。 晶相的硅锂合金还有其它的化合物包括 LiSi、Li 21Si 5 、Li 15 Si 4 等，常见的几种 硅锂合金的晶格结构如表 1.1。 表1.1 锂硅合金的晶体结构 LiSi Li12Si7Li7Si3Li13Si4Li15Si4Li21Si5Li22Si5四方晶系正交晶系菱方晶系正交晶系体心立方面心立方面心立方对于常温下锂与晶体硅的电化学合金化机理，Obrvac[3]等人对近几年的相关研究成果进行了总结，如图1.2和1.3所述。 图1.2晶体硅颗粒作为负极时的前两次的电化学性能曲线（a）硅电极电压-容量曲线（b） 硅电极C-V曲线[3] 图1.3 硅电极与锂反应过程的示意图[3]

石墨烯及其材料综述

关于石墨烯和石墨烯复合材料的综述 石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。自从2004年发现以来，研究者对这种材料在未来技术革命方面提出了大量的建设性创意，石墨烯被认为是未来能够取代硅的一种新型电子材料。石墨烯是只有一个原子厚的结晶体，具有超薄、超坚固和超强导电性等特性，其优异的电学、热学和力学性能，在纳米电子器件、储能材料、光电材料等方面的潜在应用价值引起了科学界新一轮的“碳”热潮。 它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬，仅仅是一个原子的厚度，并形成了高质量的晶体格栅，石墨烯的结构，是由碳原子六角结构紧密排列构成的二维单层石墨，是构造其他维度碳质材料的基本单元。它可以包裹形成0维富勒烯，也可以卷起来形成一维的碳纳米管，同样，它也可以层层堆叠构成三维的石墨。 石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。 这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。 大量制备尺寸、厚度可控的石墨烯材料对石墨烯基材料的应用具有重要的意义。制备石墨烯可以归结为两个基本的思路：一是以石墨为原料，通过削弱以及破坏石墨层间的范德华力来剥开石墨层从而得到石墨烯：二是基于活性碳原子的定向组装，“限制”碳原子沿平面方向生长。基于上述思想，化学剥离法、SiC 表面石墨化法和金属表面外延法等一些新的方法相继被报道。本人通过大量的归纳总结，共总结出以下七种方法。 机械剥离法就是利用机械力，将石墨烯片从具有高度定向热解石墨(Highly

基于石墨烯负极赝电容正极的超级电容器电极材料制备及性能研究

基于石墨烯负极赝电容正极的超级电容器电极材料制备及性能 研究 超级电容器的能量密度E与其比电容cm成正比,而与其工作电压u的二次方成正比(E=1/2CmU2。因此，提高工作电压是提高超级电容器能量密度的有效途径。 利用储能电位范围不同的正、负极材料组装非对称型超级电容器,可有效提高工作电压, 进而提高能量密度。本文研究了氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO) 的水热还原, 构建了三维分布还原氧化石墨烯(reduced Graphene Oxide, rGO), 研究了 Ni(0H)2纳米片阵列和NiO多孔纳米片阵列的制备。 利用X-射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)研究了GO勺还原，利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)研究了产物形貌,利用X-射线衍射(XRD)研究了产物晶体结构。利用循环伏安(CV)扫描、恒电流充放电、电化学交流阻抗(EIS)等技术研究了产物的超电容性能。 以rGO为负极、分别以Ni(OH)2纳米片阵列和NiO多孔纳米片阵列为正极, 组装了非对称模拟超级电容器，并研究其性能。首先将GO分散于具有三维结构的泡沫镍(NF)基底上,然后对其进行水热还原,制备分布于三维NF基底上的还原氧化石墨烯(NF/rGO)。 XPS和Ramar光谱研究结果表明,水热还原可有效去除GO上的含氧官能团, 并对其结构缺陷有一定的修复作用。TEM和SEME测结果表明,rGO形成很薄的片层,呈现出透明褶皱结构,NF/rGO上的rGO紧密附着于基底上形成三维分布,这有利于rGO与电解液充分接触而发挥储能性能。 NF/rGO的CV曲线具有双电层电极材料典型的矩形,其恒电流充电与放电曲 线基本成线性、且相互对称。在NF/rGO的交流阻抗波特图上，低频区的相位角接近

石墨烯复合材料

石墨烯复合材料 石墨烯是单层碳原子通过sp2杂化形成的蜂窝点阵结构，属于二维原子晶体，此独特的空间结构，给石墨烯带来了优异的电学、力学、热学和比表面积大等性质。但是二维石墨烯由于片层之间具有较强的π-π作用和范德华力，使得石墨烯容易聚集形成石墨，限制了石墨烯在各个领域中的应用。因此，为了防止石墨烯的聚集和拓展石墨烯的应用，科研工作者将石墨烯与高分子或者无机纳米粒子进行复合，从而得到具有优异性能的复合材料。石墨烯的复合材料具有化学稳定性高、比表面积大，易回收等特点，在环境治理方面受到了科学家的青睐。 一、石墨烯复合材料的分类和制备 1、石墨烯-高分子复合材料 石墨烯-高分子复合材料，石墨烯的独特的结构和性能，对于改善高分子的导电性、热性能和吸附能力等方面有非常大的应用价值。制备石墨烯-高分复合材料最直接的方法是将高分子溶液与石墨烯的溶液混合，其中高分子和填充物在溶剂中的溶解能力是保证最佳分散度的重要因素。因此，在溶液混合时，可以将石墨基质表面功能化来提高它在多种溶剂中的溶解度。例如，异氰酸

苯酯修饰的GO在在聚苯乙烯的DMF溶液中表现出了较好的溶解度。 2、石墨烯-无机纳米粒子复合材料 无机纳米粒子存在着易于团簇的问题，并且选择合适的载体也是其广泛应用需要解决的问题。石墨烯具有多种优异的性能，并且具有较大的比表面积，可以成为无机纳米材料的载体。无机纳米粒子可以将易于团簇的石墨烯片层分开，防止团簇，从而两者形成石墨烯-无机纳米粒子新型的复合材料，这些材料广泛的应用于检测、催化和气体存储等方面。目前已报道的有负载的金属纳米粒子Ag、Au、氧化物纳米粒子ZnO和Fe3O4等。 3、其它石墨烯复合材料 石墨烯不仅仅可以和高分子、无机纳米材料复合，还可以同时结合高分子、纳米粒子和碳基材料中的一种或者两种，形成多元的含有石墨烯的复合材料。这类材料具有多功能性，用于超级电容器或者传感器等。 二、石墨烯复合材料在水治理的应用 1、吸附作用 碳材料中活性碳和碳纳米管被广泛的应用于水净化领域，将石墨烯与其它化合物进行复合，这些复合材料在吸附污染物上有非常高的效率，可以应用于染料、多芳香环烃和汽油的吸附。比如利用磁性-壳聚糖-石墨烯的复合材料可以大大提高去除溶液中的亚甲基蓝的效率，吸附能力达到

北京航空航天大学科技成果——仿贝壳层状高强度石墨烯复合电极材料

北京航空航天大学科技成果——仿贝壳层状高强度 石墨烯复合电极材料 项目简介 近些年来，柔性超级电容器越来越多的被用于不同领域的柔性电子器件当中。作为一种能量储能装置，柔性超级电容器常常表现出高的能量密度、快速的充放电能力、长循环寿命以及极好的安全性，有望将取代传统的电池。然而，去开发一种柔性电极材料兼具强健的机械性能和高的储能能力应用于柔性超级电容仍然是一个巨大挑战。为了更好的解决这个难题，已经有大量的工作去开发相应的柔性超级电容器电极材料如：纤维状、薄膜状以及三维立体块状电极材料。但是，一种合理的方法去设计柔性超级电器同时兼具强的机械性能、优越的导电性、高的比容量以及超长的循环寿命到目前为止仍然是一个挑战。 仿贝壳石墨烯复合材料薄膜通过构建微纳米多级结构和不同的界面作用，呈现极好的机械性能和卓越的导电性。到目前为止，关于通过界面作用制备电极材料在超级电容器方面中的应用研究很少。且电极材料的机械性能和电容性能并没有得到显著性地提高。为克服现有技术的不足，本成果提供一种仿贝壳层状高强度石墨烯复合电极材料的制备技术。 技术描述 本技术的实施方案：通过超声的方法，得到不同比例的埃洛石-聚苯胺-氧化石墨烯分散液，并实现了石墨烯含量在任意比例范围内的调控。基于此方法，利用真空抽滤诱导自组装的方法得到了一系列

不同石墨烯含量的仿贝壳层状高强度石墨烯复合材料电极。再经氢碘酸还原，得到了仿贝壳层状高强度石墨烯复合电极材料。 该技术将无机相——氧化石墨烯与有机相——埃洛石-聚苯胺，通过真空抽滤诱导自组装的方法，仿生构筑了具有高强度、高导电性和高电容层状石墨烯复合材料电极，其拉伸强度范围达到38.0-351.9MPa，最高为351.9MPa，这些范围均优于其他方法制备的电极材料，在航空航天、电容器电极、组织工程等领域具有广泛的应用前景。 知识产权 已获国家发明专利。 意向合作方式 技术转让、技术许可、作价投资。

石墨烯材料简介

石墨烯材料简介 在构成纳米材料的众多元素中，碳元素值得我们格外重视。作为自然界中性质最为奇特的元素，碳（C）在原子周期表中的序号为六，属于第Ⅳ族。碳原子一般是四价的，最外层有4个电子，可与四个原子成键。但是其基态只有两个单电子，所以成键时总是要进行杂化。由于较低的原子序数，碳原子对外层电子的结合力强，表现出较高的键能，容易形成共价键，故自然界中碳元素形成的化合物形式丰富多彩。 关于碳与碳原子之间或碳与其它原子间以共价键相结合，有杂化轨道和分子轨道的理论。在形成共价键过程中，由于原子间的相互影响，同一个原子中参与成键的几个能量相近的原子轨道可以重新组合，重新分配能量和空间方向，组成数目相等的，成键能力更强的新的原子轨道，称为杂化轨道。在有机化合物中，碳原子的杂化形式有三种：sp3、sp2和sp杂化轨道。以甲烷分子（CH4）为例，碳原子在基态时的电子构型为1S22S22Px12Py12Pz0按理只有2px和2py可以形成共价键，键角为90°。但实际在甲烷分子中，是四个完全等同的键，键角均为109°28′。这是因为在成键过程中，碳的2s轨道有一个电子激发到2Pz轨道，3个p轨道与一个s轨道重新组合杂化，形成4个完全相同的sp3杂化轨道。每个轨道是由s/4与3P/4轨道杂化组成。这四个sp3轨道的方向都指向正四面体的四个顶点，轨道间的夹角是109°28′。得益于碳原子丰富多样的键合方式和强大的键合能力，氧、氢、氮等各种元素被有机的组合在一起，形成碳的化合物，最终构成了令人惊叹的生命体。 碳元素广泛存在于自然界，其独特的物性和多样的形态随着人类文明的进步而逐渐被发现。由于碳原子之间不同的杂化方式，能形成结构和性质迥异的多种同素异型体，其中最为人知的存在形式是金刚石和石墨。当每个碳原子与四个近邻碳原子以共价键结合（sp3杂化）时，形成各向同性的金刚石。此时，四个价电子平均分布在四个轨道中，形成稳定的σ键，而且没有孤电子对的排斥，非常稳定。因此金刚石是自然界中坚硬的材料。而当碳原子表现为sp2杂化时，碳原子在同一平面内与三个近邻原子以共价键结合；第四个价电子成为共有化电子：未经杂化的p轨道垂直于杂化轨道，与邻原子的p轨道成π键。当出现多个双键时，垂直于分子平面的所有p轨道就有可能互相重叠形成共轭体系，柔软的石墨和某些烷烃中的碳原子即以此形式存在。

石墨烯超级电容器项目介绍

红桥新区石墨烯超级电容器项目介绍 一、概况 石墨烯超级电容器项目，是由贵州新碳高科有限责任公司在六盘水投资1.6亿元新建设的石墨烯应用技术，项目占地30亩，建设3万平方米多层标准化厂房，主要生产石墨烯超级电容器，目前该项目已基本完成场平、近期将开展主体厂房建设，计划2 014年10月底达到试生产条件。 贵州新碳高科有限责任公司成立于2011年，公司总部在贵阳高新区，主要生产石墨烯，该项目是由位于美国硅谷的海外贵州促进会应贵州省有关领导要求，向贵州省推荐全球领先的高新技术项目。 石墨烯超级电容器项目，主要采用石墨烯为主要原材料，利用石墨烯的高传导性、高石墨烯超级电容器比表面积，生产石墨烯超级电容器。石墨烯超级电容器是近年来出现的一种介于传统电容器和二次电池之间的新型储能器件，属于新材料高科技无污染的产品。它在保留传统电容器功率密度大的特点的同时，具有可达法拉级甚至数千法拉的静电容量，因此其具有能量密度较高的特点，同时还具有充放电速度快、充放电效率高、寿命长、安全性好、环境好等特点。高性能的石墨烯电容器产品具有广泛的市场应用前景，针对高性能、超薄以及大功耗电子产品如智能手机、平板手持电脑、大功率节能LED照明、超薄LCD电视、电动

车电池等产业上，具有极高的应用价值，超级电容器在很多领域都有广阔的应用前景。 三、超级电容器应用 超级电容器自面市以来，在电动汽车、混合燃料汽车、特殊载重汽车、电力、通信国防、消费电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力，全球需求量快速扩大，已成为电源电池领域内新的产业亮点而被世界各国广泛关注。当前，国内相关企业也都在扩大生产规模，增加产品的多样性。 1、市场前景非常广阔。超级电容器市场需求量非常大，并且以很高的速度增长，而超级电容器市场规模也在高速扩展。 2、超级电容器有着巨大的市场潜力。超级电容器相对于其它储能电源优势很明显，但它占整个能量储存装置的市场份额其实还很小。 3、通过供需情况的比较发现，国内能规模生产的厂家较少，生产规模还远远无法满足国内市场的需求，所以国内大多数用户还是通过进口来满足需要。 在市场需求迅速增长的强力推动下，国内现有的超级电容器生产企业会积极融资扩产，国际从事超级电容器生产的大型企业也会把战略投资的目光锁定中国，另外很多相关生产企业(如铝电解电容器生产企业)也有进军超级电容器领域的意向，准备介

石墨烯在复合材料中的应用

石墨烯在复合材料中的应用 龚欣 （东南大学机械工程学院南京211189） 摘要：介绍了石墨烯与有机高聚物、无机纳米粒子以及其它碳基材料的复合物，同时展望了这些材料在相关领域中的应用前景． 关键词：石墨烯纳米复合材料 2004年至今, 关于石墨烯的研究成果已在SCI检索期刊上发表了超过2000篇论文, 石墨烯开始超越碳纳米管成为了备受瞩目的国际前沿和热点．基于石墨烯的纳米复合材料在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出许多优良性能，具有广阔的应用前景．目前研究的石墨烯复合材料主要有石墨烯/聚合物复合材料和石墨烯/无机物复合材料两类，其制备方法主要有共混法、溶胶-凝胶法、插层法和原位聚合法.本文将对石墨烯的纳米复合材料及其性能等方面进行简要的综述． 一、基于石墨烯的复合物 利用石墨烯优良的特性与其它材料复合可赋予材料优异的性质．如利用石墨烯较强的机械性能，将其添加到高分子中，可以提高高分子材料的机械性能和导电性能；以石墨烯为载体负载纳米粒子，可以提高这些粒子在催化、传感器、超级电容器等领域中的应用． 1.1 石墨烯与高聚物的复合物 功能化后的石墨烯具有很好的溶液稳定性，适用于制备高性能聚合物复合材料．根据实验研究，如用异氰酸酯改性后的氧化石墨烯分散到聚苯乙烯中，还原处理后就可以得到石墨烯-聚苯乙烯高分子复合物．该复合物具有很好的导电性，添加体积分数为1%的石墨烯时，常温下该复合物的导电率可达0.1S/M，可在导电材料方面得到的应用． 添加石墨烯还可显著影响高聚物的其它性能，如玻璃化转变温度(Tg)、力学和电学性能等．例如在聚丙稀腈中添加质量分数约1%的功能化石墨烯，可使其Tg 提高40℃．在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中仅添加质量分数0.05%的石墨烯就可以将其Tg提高近30℃．添加石墨烯的PMMA比添加膨胀石墨和碳纳米管的PMMA具有更高的强度、模量以及导电率．在聚乙烯醇（PVA）和PMMA中添加质量分数0.6% 的功能化石墨烯后，其弹性模量和硬度有明显的增加．在聚苯胺中添加适量的氧化石墨烯所获得的聚苯胺-氧化石墨烯复合物的电容量（531F/g）比聚苯胺本身的电容量（约为216F/g）大1倍多，且具有较大的拉伸强度（12.6MPa）．这些性能为石墨烯-聚苯胺复合物在超级电容器方面的应用创造了条件． 石墨烯在高聚物中还可形成一定的有序结构．通过还原分散在Nafition膜中

石墨烯复合材料的制备及其性能研究进展

石墨烯复合材料的制备及其性能研究进展

论文 题目: 石墨烯复合材料的制备 及其性能研究进展学生姓名: 学号： 院（系）：化工与制药工程系专业班级： 指导教师： 职称： 201 年月

石墨烯复合材料的制备及其性能研究进展 摘要: 石墨烯以其优异的性能和独特的二维结构成为材料领域研究热点。本文综述了石墨烯的制备方法并分析比较了各种方法的优缺点, 简单介绍了石墨烯的力学、光学、电学及热学性能。基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向, 本文详细介绍了石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料的制备及应用，以及石墨烯复合材料的展望。 关键词:石墨烯;制备;性能;复合材料

Research Progress on Preparation and properties of graphene composite materials Abstract: Graphene has become a hot research field of material for its excellent performance and unique two-dimensional structure. This paper summarizes the method for preparing graphene and compared the advantages and disadvantages of various methods,introduces the mechanics,graphene optical,electrical and thermal properties. Composite materials based on graphene is an important research direction in the field of application of graphene,this paper introduces the preparation and application of graphene polymer composites and graphene based inorganic nano composite material,and the prospect of graphene composite materials. Key words:graphene;preparation;properties;composite materials

石墨烯透明电极

柔性光电子器件，如有机发光二极管与太阳能电池，已经引起了越来越多研究者的关注。而其中用到的电极材料也需要具备柔性，轻便，低成本等特点，同时可以大批量地生产。 目前主导光电子器件的氧化铟锡（ITO）电极由于机械稳定性差，而且铟资源的日益缺少导致其成本的不断提高。所以急需寻求一些可替代的环保的电极材料。过去几十年研究者们尝试了大量的新型电极材料，比如纳米碳管、金属网格与金属纳米线网等。最近，由于其高导电性、透明性、可弯曲性、空气与高温稳定性，石墨烯作为一种新型的柔性电子学与电极材料得到广泛认同。 迄今为止制备石墨烯透明电极有两种方法：一种是把石墨烯氧化物溶液旋涂在基底上，然后在高温下还原；另一种是利用化学气相沉积法（CVD）的方法在金属镍或者铜表面催化生长石墨烯，然后再转移到不同的基底上。前一种方法很容易制成薄膜，但是需要1000℃高温，所以对很多基底都不合适，像玻璃与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）分别在500℃与250℃左右就开始融化。后一种方法尽管不需要太高温度，却要使用复杂的CVD设备，同时还需要转移石墨烯膜的额外程序。因此开发一种低成本、高产出，同时不需高温处理、真空设备与膜转移步骤的方法来制备石墨烯透明柔性电极很有必 要。 香港理工大学纺织制衣系郑子剑教授的研究组与陶晓明教授合作，发展了一种简便的制备高质量石墨烯复合电极（graphene composite electrode, GCE）的方法。他们首先制备磺酸化修饰的石墨烯氧化物，再进行原位水合肼还原，得到大量（克级）径向尺寸大于50微米、并具有良好水溶性的石墨烯片。将此石墨烯的溶液进一步用导电聚噻吩（poly(3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrenesulfonate，PEDOT: PSS）掺杂所得到的石墨烯复合溶液，能够很好地旋涂在玻璃或者PET 的基底上。然后只需要在150℃下退火，便可以得到高导电率（80 Ω sq ? 1）和高透光率（80%）的石墨烯复合材料透明电极。在1000次弯曲测试中，电极显示了极好的稳定性，导电性没有明显降低。 使用该电极制备的有机发光二极管在发光效果上也比基于ITO电极的器件高出2倍。