对石墨烯在碳材料领域的应用研究及展望

赵子龙;邢宝岩;曾航航;王聪伟;王保成 【期刊名称】《金属世界》 【年(卷),期】2017(000)003 【总页数】3页(P13-15)

【作 者】赵子龙;邢宝岩;曾航航;王聪伟;王保成

【作者单位】太原理工大学材料科学与工程学院,太原 030024;太原理工大学材料科学与工程学院,太原 030024;太原理工大学材料科学与工程学院,太原 030024;中国科学院山西煤炭化学研究所,太原 030001;太原理工大学材料科学与工程学院,太原 030024 【正文语种】中 文 内容导读

文章以一步水热法制备泡沫镍/碳/石墨烯电极材料实验为基础，通过搅匀、水洗、酸性、烘干、涂片等工序对电极材料的制备进行了详细设计和严格控制。然后采用电化学工作站对电极材料的性能进行了测试，采用扫描电子显微镜对材料的微观形貌进行了表征。结合国内外相关报道文献对石墨烯在碳材料领域的应用进行分析，认为碳材料在我国大力发展清洁能源和新能源方面具有非常重要的作用；我国的碳材料研发已形成规模，发展潜力很大；碳材料研发水平将成为衡量我国国际竞争力的重要指标。

超级电容器因其循环寿命长、比功率高、充放电快等优点，在消费电子、电动汽车和军事国防等领域都广泛应用[1-2]。石墨烯是一种由sp2杂化碳原子构成的单层

碳纳米材料[3-4]，具有高的理论比表面积(2630 m2/g)、优良的导热性能(5000 W/(m·K))、良好的电子迁移率(15000 cm2/(V·s))和优越的力学性能(1060 GPa)，已成为化学、材料等领域的研究热点[5]，在复合材料、电子器件、能源储存和吸附分离等领域具有广泛的应用[6-7]。因此，将石墨烯应用于超级电容器的电极材料具有广阔的发展前景。黄建林等研究了碳纤维+石墨烯电极材料的制备，并获得了蜂窝状电极材料，容量高达300 F/g。并且通过碳纤维制备碳可克服石墨烯的堆叠，显示了这一材料商业化的巨大潜力[8]。本文以一步水热法制备泡沫镍/碳/石墨烯电极材料实验为基础，对石墨烯在碳材料领域的应用进行了分析。

将10 g纤维素、38 mL体积分数为1.1%的石墨烯溶液倒入烧杯，用蒸馏水将溶液稀释到100 mL，进行超声搅拌12 h后，采用鼓风烘箱在80℃烘干3~4 h+真空烘箱80℃烘干12 h。将烘干后的纤维素+石墨烯放入接近饱和浓度的KOH溶液中搅匀后，进行煅烧，煅烧工艺为200℃(1 h)+450℃(1 h)+600℃(1 h)，升温速度5℃/min。煅烧后用1mol/L的HCl清洗+蒸馏水清洗，直到pH值为7，然后烘干，将泡沫镍压片、涂片、冲片。称重，并将质量最接近的电极片在6 mol/L的KOH溶液中浸泡3 h后，组装超级电容器，然后进行性能测试。电极材料和测试结果见图1。从图1(a)可以看到电极材料并非蜂窝状结构而是发生了堆叠，将其放大到图1(b)，可以明显观察到碳和石墨烯片层状堆叠到一起，这种结构将会严重降低电极材料的储能性能。对电极材料进行循环伏安和充放电测试，图1(c)和1(d)都表现出了较差的性能。

实验表明，一步水热法制备泡沫镍/碳/石墨烯电极材料的实验周期较长，电极材料性能控制不稳定，尤其是材料的组织形貌控制对电极材料的性能有至关重要的作用。 能源、材料和信息是21世纪发展的三大重点突破领域，碳材料已经在这些领域发挥了重要的作用。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)成功从石墨中分离出石墨烯，证

实石墨烯可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯的发现标志着碳材料在材料领域的重大突破，把材料的发展带入了一个新的。在能源方面，动力电池和碳纤维的发展将会对能源和环保起到举足轻重的作用。中国 “十三五”能源发展思路指出大力发展清洁能源和新能源既能减少对石油的依赖又可以降低环境污染，但现在发展清洁能源的两大瓶颈是动力电池的性能和汽车的轻量化。一方面需要提高动力电池的储能能力，以满足电动汽车跑更远的路程；另一方面要减轻车身重量，使用相同动力的电池跑更远的路程。对国内外动力电池技术发展现状进行比较可以看出，石墨材料锂电池产量已形成较大规模，石墨烯作为碳材料中的先进材料将在电池技术开发方面有着广阔的前景。通过各国锂电池技术水平比较得出：日本在技术创新、生产和原材料等方面拥有较大的优势。石墨烯在电池领域虽然有较大的应用前景，但技术研发方面将面临较大的挑战，这也是世界各国所面临的挑战，如何将石墨烯材料转化为科技生产力将是各国研发人员的研究重点。从中日韩三国锂电池市场份额变化可以看出，拥有高新技术优势的企业将占据较大的市场份额。高新技术领域与传统工业的重大区别在于对技术创新和研发的重大依赖性。传统工业依赖于原材料等资源，而高新技术领域则重点依赖于技术创新和研发水平。日韩等资源匮乏国家正是依靠在技术创新和研发水平的优势从而在电池领域占得了市场份额。我国的石墨烯产业的发展也必将走技术创新之路，从而对科研管理机制和人员培养将提出更多的挑战。同时，石墨烯推动电池领域的发展将带动新能源汽车行业的发展，用新能源汽车来代替高污染燃油汽车在能源节约和治理环境污染方面将发挥重要的作用。人类社会已经从古代文明进入现代文明，在环境保护方面人类不可能回到古代冷兵器无污染时代，石墨烯等新材料研发的科学技术将是解决人与环境矛盾的新手段。

由于石墨烯是从石墨中分离得到的材料，因此石墨烯在碳材料中的应用几乎涵盖了碳材料应用的各个领域，并且在实验室的各种碳材料研究中都表现出了很好的性能。

但是，石墨烯不像钢铁和其他有色金属，目前还找不到独一无二的应用领域，在工业化的生产过程中可控性比较差、生产成本高，导致石墨烯还没有得到规模化的应用。换句话说，石墨烯在碳材料中的应用目前处于研发阶段，虽然在实验室将石墨烯应用于碳材料表现出了优良的性能，但工业化生产仍然是我们面临的挑战。随着化学气相沉积、化学气相浸渗等新材料制备方法的出现，石墨烯在碳材料方面的应用得到进一步扩展。

以超级电容器为例，虽然大量的研究表明在电极材料中添加石墨烯可获得高的电容性能，但目前我国在工业化生产过程中石墨烯应用于关键电极材料中并未取得核心竞争力。超级电容器各部件及掌握核心技术的企业如下：电极材料(日本可乐丽)、粘结剂(日本JSR)、有机电解液(新宙邦)、隔膜(日本NKK)、导电剂(瑞士Timcal)和集流器(日本JCC)。通过以上资料可以发现，尽管石墨烯在研发阶段表现出了很好的性能，但在工业化生产中关键材料的核心技术仍然掌握在外国企业手中，我国有关企业肩负着抢滩石墨烯在碳材料领域的工业化应用产品核心技术并提高我国碳材料研发核心竞争力的使命。我国很多专家致力于研究石墨烯片层孔道设计及其结构，如果该项技术取得重大突破将对石墨烯在碳材料领域应用的工业化生产起到重大的促进作用。因此，石墨烯的碳材料应用在注重研发的同时要更注重工业化的生产。

【相关文献】

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