被炒得这么火，石墨烯有啥真本事

性能需要克服的瓶颈。 作为sp2杂化碳质材料基元结构的单层或者薄层石墨烯，是可以解决以上瓶颈的理想材料。主要原因如下：单层或者数层石墨烯片层，具有无孔隙的二维平面结构。储电空间位于石墨烯片层表面，其储能特性完全依赖于石墨烯的比表面积和表面化学。微米级的石墨烯片层搭接形成石墨烯宏观体，具有简单的织构特性，不含孔隙，与电解质溶液有良好的接触。经过与其它材料的复合，可以调控其织 构，保证材料良好的功率特性。如果作为锂离子电池负极材料，锂离子在薄层石墨烯片层(片层尺度在微米级，远小于体相石墨)之间的扩散路径比较短，可以大大提高其功率特性。石墨烯片层零缺陷或者少缺陷，保证其具有良好的导电和导热特性，是电极材料，特别是微型的电源器件所用电极材料的理想候眩

基于以上几点，作为sp2杂化材料的单层或者薄层(2~10 层)石墨烯是理想的超级电容器电极材料，可望提高超级电容器的功率和能量密度。同时由于其独 特的薄层、纵向和横向尺度的可切割性、良好的导热和导电特性，石墨烯也是其他储能体系的理想候选材料。2 sp2碳质材料的基元材料 --石墨烯 ：诞生和奇特性质

2004 年，曼彻斯特大学的Geim小组首次用机械劈裂法(mechanical cleavage)获得单层和薄层石墨烯。在此之前，科学家们一直认为严格的二维晶体热力学不稳定，不可能独立存在。

石墨烯是目前已知最薄的二维材料，完美的石墨烯具有理想二维晶体结构，由六边形晶格组成。自从被成功制备出来，石墨烯在全世界范围内引起了一股新的研究热潮--物理、化学、材料科学家开始对石墨烯进行系统研究，各种极具魅力的奇特性质相继被发现，被预测很有可能会在很多领域引起革命性的变化。目前，主要的石墨烯制备方法有机械劈裂法、外延晶体生长法、化学气相沉积法、氧化石墨的热膨胀和还原方法。还有其他一些制备方法也陆续被开发出来，如气相等离子体生长技术，静电沉积法和高温高压合成法等。

笔者认为，在这些方法中，最有可能实现石墨烯规模化制备，实现大规模应用的是氧化石墨的热膨胀法和还原法。这种方法的主要过程是：将氧化石墨在短时间内快速升温到一定温度以上 (一 般的方法是1 000 ℃以上)，使氧化石墨 片层通过片层间官能团的分解作用而互相剥离。氧化石墨烯还原法，是以氧化石墨为原料，在溶剂中超声，得到氧化石墨烯溶液，然后用化学还原剂还原，得到石墨烯。现有的很多研究工作也是基于这两种方法进行的。我们小组发明了低温 热膨胀技术，可以低成本获得宏量石墨烯材料。

石墨烯是真正的表面性固体，理想的单层石墨烯具有超大的比表面积(2 630 m2 /g)，是很有潜力的储能材料。石墨烯也具有良好的电学、力学、光学和 热学性质。石墨烯是一种没有能隙的半导体，它具有比硅高很多的载流子迁移率(2×105 cm2 /V)，在室温下有微米级的平均自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料，也是验证量子效应的理想材料;石墨烯具有良好的导电性，其电子的运动速度达到了光速的 1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。石墨烯具有良好的透光性，是传统ITO膜潜在替代产品。石墨烯具有良好的热学性质，Ghosh等利用基于微拉曼光谱的无触点技术测量得到石墨烯的热导率为3080～5150 W/mK。 石墨烯也具有非常高的力学强度，Liu和Lee等分别利用第一原理计算和实验证明石墨烯片层是目前已知强度最高的材料，其理想强度为110~130GPa。

良好的导电性是其他大比表面积碳质材料很难具有的独特性质，预示着石墨烯很可能是性能极佳的电极材料;而良好的热导性质、光学性质和力学强度， 也预示着石墨烯材料可用于超薄型、超微型的电极材料和储能器件，而这样的储能元件可用于高密度的纳电子器件和高功率电池组中。

3 具有理想二维结构的石墨烯:新型储能材料

3.1 石墨烯在超级电容器中的应用

碳质材料是最早也是目前研究和应用得很广泛的超级电容器电极材料。用于超级电容器的碳质材料目前主要集中于活性炭(AC)、活性炭纤维(ACF)、炭气凝胶、碳纳米管(CNTs)和模板炭等。这些sp2碳质材料的基元材料是石墨烯。自石墨烯被成功制备出来后，人们开始探究其这种极限结构的 sp2 碳质材料在超级电容器里应用的可能性。

Ruoff小组利用化学改性的石墨烯作为电极材料，测试了基于石墨烯的超级电容器的性能。这种石墨烯材料的电容性能在水系和有机电解液中的比电容 分别可以达到135 F/g和99 F/g(图 2)。Rao等人比较了通过三种方法制备的石墨烯的电容性能。在硫酸电解液中，通过氧化