石墨烯纳米片微结构调控复合及性能研究(3)

菜单

1.1.2 超级电容器的电极材料

超级电容器的性能与其使用的电解液、电极材料及其隔等膜有关。其中电极材料的选择对于超级电容器的制备尤为重要。实际上，在超级电容器的研究过程中，关键的研究在于寻找具有高比能量、高比功率电容、较低的内阻、良好的导电性、适当的力学和化学稳定性以及容易形成法拉第准电容器或双电层准电容器的极化电极材料。

目前，超级电容器电极材料一般采用金属氧化物/氢氧化物、碳材料、导电聚合物以及各种掺杂复合物材料进行制作。

1.2 石墨烯

2004年，英国曼彻斯特大学物理学教授Geim等用一种极为简单的方法得到了单层的石墨烯晶体，震惊世界。此发现也丰富了整个碳系家族，零维的富勒烯，一维的碳纳米管，二维的石墨烯，三维的石墨以及金刚石。

很明显，单层的石墨烯是二维材料，而100层的石墨片被认为是三维的材料。研究表明，电子结构随着层数的变化发生明显的变化，当石墨层的层数少于10层时，就会表现出与三维石墨不同的电子结构。所以单层、双层、多层（3~10层）的石墨烯都被认为是二维晶体材料。

石墨烯的结构示意图

图1-1 石墨烯的结构示意图

单层的石墨烯，是指一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子，碳原子排列成二维结构，与石墨的单原子层类似。它是构筑其它维碳材料的基本单元，它可以翘曲起来成为零维的富勒烯，按一维卷曲起来成一位的碳纳米管，层层堆叠成三维的石墨[7]。

1.2.1 石墨烯的基本性质及应用

石墨烯材料的理论比表面积高达2600 m2/g，具有突出的导热性能5000 W/(m·K)和力学性能（1060 GPa），以及室温下高速的电子迁移率200000 cm2/(V·s)[8-9]。石墨烯独特的二维结构以及巨大的比表面积，使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应、从不消失的电导率等一系列性质。因此石墨烯具有很广泛的用途：（1）石墨烯可修饰化学功能、接触面积、原子尺寸厚度等等特点，因此可用于细菌探测和诊断器件方面；（2）石墨烯良好的电导性能、透光性能、高机械强度以及柔韧性，使得其在透明电导电极方面和传感器领域有很好的应用前景[20]；（3）石墨烯材料具有很高的表面积对质量比，电子迁移率高且内阻小的特点，在超级电容器电极方面有光明的应用前景[10]。

1.2.2 石墨烯的制备方法

石墨烯的制备方法有：（1）机械剥离法[11]：其中微机械剥离法和石墨液相剥离法虽然可以制备出高质量石墨烯，但存在产率低和成本高的问题，不满足工业化和规模化生产要求；（2）氧化还原法[12-13]：氧化还原法先将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨，随后通过热还原[17-18]或加入还原剂（H2、水合肼、二甲肼、对苯二酚和NaBH4）[19-20]的方法，将其还原成石墨烯。虽然在氧化过程引入大量含氧官能团（羧基、羰基、羟基和环氧基），将不可避免的引入一些结构缺陷，但是其成本低廉，容易实现规模化，而且可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯不易分散的问题，是目前制备石墨烯的最佳方法；（3）化学气相沉积法[14]：化学气相沉积法反应条件需要高温，且制备的石墨烯质量并不均匀，易受到金属基片晶型和晶体取向的影响；（4）石墨液相剥离法[15]；（5）外延生长法[16]：外延生长法需要超高真空和高温的苛刻条件，故其成本也很高，难于大面积制备。