石墨烯復(fù)合材料在超級電容器中的研究進(jìn)展

　　至2004 年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，關(guān)于石墨烯復(fù)合材料的研究一直炙手可熱。本文從聚苯胺/石墨烯和二氧化錳/石墨烯復(fù)合材料兩方面，綜述了這兩種材料在超級電容器電極材料的研究進(jìn)展，展望了以后在超級電容器電極材料上的良好應(yīng)用前景。

　　碳元素廣泛存在于自然界，除了最為人們所熟知的石墨和金剛石外，1985 年發(fā)現(xiàn)的富勒烯和1991 年發(fā)現(xiàn)的碳納米管擴(kuò)大了碳材料的家族。也使人們對碳元素的多樣性有了更深刻的認(rèn)識。同時(shí)，富勒烯和碳納米管所引發(fā)的納米科技對人類社的發(fā)展在未來有著極其重大的意義。作為碳材料中最新的一員—石墨烯是擁有sp2雜化軌道的二維碳原子晶體，由英國曼徹斯特大學(xué)的Geim 等于2004年發(fā)現(xiàn)，并能穩(wěn)定存在，這是目前世界上最薄的材料—單原子厚度的材料。石墨烯不僅有優(yōu)異的電學(xué)性能(室溫下電子遷移率可達(dá)200000 cm2V-1s-1)，質(zhì)量輕，導(dǎo)熱性好(5000 Wm-1K-1)，比表面積大(2630 m2g-1)，它的楊氏模量(1100 GPa)和斷裂強(qiáng)度(125GPa)也可與碳納米管相媲美，而且還具有一些獨(dú)特的性能，如量子霍爾效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)等。由于以上獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，石墨烯可應(yīng)用于許多的先進(jìn)材料與器件中，如薄膜材料、儲能材料、液晶材料、機(jī)械諧振器等。石墨烯是單層石墨，原料易得，所以價(jià)格便宜，不像碳納米管那樣價(jià)格昂貴，因此石墨烯有望代替碳納米管成為聚合物基碳納米復(fù)合材料的優(yōu)質(zhì)填料。在石墨烯諸多性質(zhì)中，其中比表面積高和導(dǎo)電性好，最重要的是石墨烯本身的電容為21uF/cm2，達(dá)到了所有碳基雙電層電容器的上限，這比其他碳材料都要高，是制造超級電容器的理想材料。

　　超級電容器(Supercapacitors)，也叫電化學(xué)電容器(Electrochemical capacitors)是一種能量密度和功率密度介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型儲能器件，超級電容器兼具蓄電池和傳統(tǒng)電容器的優(yōu)點(diǎn)，如能量密度高、功率密度高、可快速充放電、循環(huán)壽命長、具有瞬時(shí)大電流放電及對環(huán)境無污染等特性，是近十年來發(fā)展起來的新型儲能、節(jié)能設(shè)備。

　　由于石墨烯是理想的超級電容器填充材料，所以將其與其他材料復(fù)合來制備超級電容器材料備受大家關(guān)注。復(fù)合材料主要有兩類，第一種是石墨烯與高分子導(dǎo)電材料復(fù)合，其中研究最多的是石墨烯與聚苯胺復(fù)合材料。第二種是石墨烯與金屬氧化物復(fù)合，其中研究最多的是石墨烯與二氧化錳復(fù)合材料。本文主要就這兩種復(fù)合材料的研究做一簡單綜述。

　　石墨烯與聚苯胺復(fù)合材料在超級電容器材料方面應(yīng)用，除了前面提到的石墨烯的特殊性能外，還有就是聚苯胺具有高電導(dǎo)率、易于合成、單體成本低等優(yōu)點(diǎn)。Zhao 等在酸性條件下利用原位聚合法制備了聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)聚苯胺均勻吸附在石墨烯的表面，或者均勻分散于石墨烯片層之間，在電流密度為0.1A/g 時(shí)，比電容高達(dá)480F/g，并且具有良好的循環(huán)性。Li 等在石墨烯片上進(jìn)行原位陽極電聚合生成聚苯胺，得到的復(fù)合材料抗張強(qiáng)度達(dá)到12.6MPa，有高而穩(wěn)定的電化學(xué)電容(重量比容為233F/g，體積比容為135F/cm3)，超過其他許多現(xiàn)在可用的碳基柔性電極，因此在柔性超級電容器方面有很大前景。Shi 等首先將化學(xué)改性的石墨烯與聚苯胺纖維配成穩(wěn)定混合液，然后通過真空過濾得到石墨烯/聚苯胺纖維薄膜復(fù)合材料，在這些薄膜中聚苯胺纖維均勻分散在石墨烯夾層之間，復(fù)合材料有穩(wěn)定的機(jī)械性能和高的柔韌性，能夠彎曲很大的角度得到想要的形狀，當(dāng)改性石墨烯的含量為44%時(shí)電容最大，為210F/g。Yan 等報(bào)道了通過一種簡單快速的溶液混合，原位聚合的方法獲得了聚苯胺與石墨烯的復(fù)合紙，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為這種復(fù)合材料有很好的電學(xué)性質(zhì)，值得一提的是這個(gè)復(fù)合紙?jiān)谏�物領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。Wei 等將官能化的石墨烯和聚苯胺納米顆粒復(fù)合得到1046F/g 的電容，這幾乎是純聚苯胺材料的2 倍。

　　第二種是石墨烯與金屬氧化物復(fù)合，其中研究最多的是石墨烯與二氧化錳的復(fù)合材料。Wei 等將高錳酸鉀與石墨烯混合，利用微波輻射的方法將高錳酸鉀還原成二氧化錳，還原成的二氧化錳沉積在石墨烯表面，這樣的復(fù)合材料做陽極，活性炭做陰極得到電容為114F/g，循環(huán)次數(shù)可達(dá)到1000 次得超級電容器。Yang 等通過自組裝的方法得到多層聚二烯丙基二甲基氯化銨改性的墨烯石和二氧化錳的復(fù)合材料具有較高的電容和較高的循環(huán)次數(shù)。

　　綜上所述，隨著社會不斷地進(jìn)步，資源不斷地消耗，經(jīng)濟(jì)不斷地發(fā)展，石墨烯復(fù)合材料必將在未來的電子領(lǐng)域發(fā)揮極其重要的作用。