CVD 法制备三维石墨烯的电化学储能性能

维石墨烯是由二维石墨烯构成的三维网络结构,多孔的网络结构赋予了三维石墨烯超大的比表面积、超高的机械强度以及优异的电子传输通道. 因其优异的性能,三维石墨烯及其复合材料已经广泛地应用于能源、化学和生物等研究领域. 在三维石墨烯的合成方法中,化学气相沉积法由于制备的三维石墨烯具有高纯度、良好结晶性和优异的机械性能而备受推崇. 本文结合当前研究热点,综述了化学气相沉积法制备三维石墨烯及其复合材料在电化学储能领域（铝电池、锂离子电池、锂-硫电池、钠离子电池、金属-空气电池、超级电容器）中的应用,并简要评述当前化学气相沉积法制备三维石墨烯在应用中所面临的挑战及发展前景.     

碳纳米管与石墨烯在储能电池中的应用

当今社会日益增长的能源与环境需求对储能电池技术的发展既是机遇也是严峻的挑战。纳米碳材料如碳纳米管与石墨烯因其优异的导电能力、良好的机械性能以及独特的形貌与结构特征在储能电池技术领域中的应用越来越普遍。本文通过综述近年来碳纳米管与石墨烯分别作为锂离子电池的复合电极材料、负极活性材料、导电添加剂以及新型锂硫电池用复合导电载体的最新应用进展,重点讨论了这两类纳米碳材料的不同应用模式对储能电池容量性能、倍率性能以及循环寿命的影响。同时对目前研究中存在的问题进行了总结,并对未来发展方向,如开发低成本与环境友好的高质量材料合成技术、提升材料的分散能力以有效构筑复合电极结构以及开发新的应用模式等进行了展望。     

类石墨烯化学中的挑战与机遇

类石墨烯结构超薄的厚度、较大的比表面积和优良的柔韧性为满足人们对便携式透明纳米器件的需求带来了希望.将类石墨烯结构的制备从典型层状材料扩展到层间具有较强作用力的准层状材料以及非层状材料,不但能够丰富类石墨烯材料的种类,而且还可能带来一系列革新的性能和广泛的应用.但是,由于类石墨烯材料在第三维度上缺乏长程有序,使其低维结构的表征和清晰构效关系的建立较为困难.本文系统总结了典型层状结构、准层状结构以及非层状结构类石墨烯材料的制备方法,调研了最近对类石墨烯材料精细结构和缺陷结构的研究进展以及对类石墨烯材料电子结构的调控方法,强调了它们结构-性质之间的关系.另外,描述了基于类石墨烯结构的透明、柔性器件在光电化学催化、光探测器、光电转换、超级电容器等领域中表现出的优异性能和广阔的应用前景.期望本文能够加深人们对这一领域的理解,为今后高效能源器件的设计提供指导.     

石墨烯/导电聚合物复合材料在超级电容器电极材料方面的研究进展

从方法学上总结了目前石墨烯/导电聚合物复合材料的制备途径,重点介绍了其在能源领域作为超级电容器电极材料的应用,并归纳了其在传感器材料、燃料电池、太阳能电池、电致变色器件及锂离子电池等方面的研究进展.     

石墨烯材料生物降解的策略研究

自2004年被发现以来,前沿新材料石墨烯及其衍生物由于其独特的电学、光学和力学性能被广泛关注,在许多领域都展露了光彩,包括新型电池、传感器、新能源和生物医学等领域,尤其在生物医药领域发展迅速.石墨烯及其衍生物良好的生物相容性使其在生物领域中具有重要的应用前景.为了实现石墨烯材料的体内应用,材料的可降解性是值得深入研究的焦点,研究其生物降解行为有助于提高其对环境、生命系统的安全性.到目前为止,石墨烯的生物降解研究主要集中在材料的生物酶促降解,利用一系列方法如异质原子掺杂、表面功能化修饰等对石墨烯材料进行改性,可以调控石墨烯材料的降解.综述了近年来石墨烯材料及其衍生物在生物应用上的降解的研究进展,重点介绍石墨烯的酶促降解和其在生物医学领域的应用前景,为进一步促进石墨烯材料的体内研究提供重要的研究基础和指导意义.     

石墨烯基纤维储能器件的研究进展与展望

随着小型化、可穿戴等特征的智能电子以及物联网传感设备的发展,新型纤维状柔性化、小型化电化学储能器件已成为重要的研究方向。同时,对纤维材料和柔性储能器件的性能提出了更高的要求,如可任意弯折、可拉伸、可折叠、高储能密度等。石墨烯纤维具有独特的结构、优异的导电性、良好机械性能和电化学性质,已证明了是一种极具前景、高性能的新型纤维状柔性储能材料。目前,研究者已开发了多种石墨烯基纤维微观结构的调控策略来进一步改进其性能。本文首先系统总结了石墨烯基纤维的制备方法和其性能提升的策略,然后详细讨论其在柔性化纤维状超级电容器、金属离子电池、热电发电机、太阳能电池和相变材料等储能领域中的最新应用进展。最后,对石墨烯基纤维在能源存储和转换领域中存在的挑战和机会进行了展望。     

用于生物电化学系统的石墨烯电极新进展

可持续社会的发展需要成本低, 并从废物或废水中提取能源或将能源转化为产品的环境友好技术. 近年兴起的生物电化学系统(BESs)利用微生物催化不同电化学反应, 是将废物或废水中能量转化为电能等多种产品的发展前景广阔的新技术. 当有关反应的吉布斯自由能小于零, 系统输出电能, 此时的BESs即为微生物燃料电池(MFCs); 相反, 若反应的吉布斯自由能为正值, 此时的BESs被称为微生物电解电池(MECs). 随着研究工作的不断深入和拓展, BESs的电极性能已成为制约其应用的瓶颈. 石墨烯以其独特的结构和优异的材料性能在BESs领域, 特别是MFCs中得以应用. 本文参考了最新的文献资料, 综述了石墨烯应用于BESs的发展现状, 包括应用于MFCs的石墨烯电极、掺杂石墨烯电极、担载石墨烯电极, 对其在MECs中可能的应用, 以及未来发展趋势予以展望.     

氮掺杂石墨烯的制备及其在化学储能中的研究进展

石墨烯独特的二维空间结构使其具有优异的导电性能、力学性能以及超大的比表面积,被认为是颇具潜力的新型储能材料,是目前储能研究的热点之一。 但是石墨烯易团聚、表面光滑且呈惰性而不利于与其它材料的复合,导致其应用受到限制。 石墨烯掺氮可改变其电子结构,增加表面的活性位,从而提高其应用于储能器件时的电化学性能。 本文综述了近几年氮掺杂石墨烯的制备方法以及其在超级电容器、锂离子电池、锂空电池以及锂硫电池等化学储能领域中的应用,指出了目前氮掺杂石墨烯在制备和储能应用中关注的核心问题,并对氮掺杂石墨烯的发展前景进行了展望。     

新型碳材料——石墨烯的制备及其在电化学中的应用

作为单原子厚度的二维碳原子材料,石墨烯由于其特殊的结构和物化性能而成为目前碳基材料中的一个研究热点.本文主要介绍了石墨烯及其复合纳米材料制备的一些新方法.结合石墨烯优良的导电性和生物相容性,论述了石墨烯在电化学分析领域,以及电催化、超级电容器和电化学电池等方面的应用.     

石墨烯的功能与应用——规模制备和能源相关应用

<正>2004年曼彻斯特大学报道了首个具有明确结构的石墨烯材料1,其优异的物理化学性质引起了科学界和工业界的持续关注。经过十几年的探索,石墨烯的规模化制备和应用已取得了长足的进步,尤其是在能源存储和转化等领域展现出了广阔的应用前景。本专刊收集了国内部分科学家在相关领域的研究成果,分成两期在2022年第1期和第2期印刷出版。     

Progress and Prospects on the Fabrication of Graphene-Based Nanostructures for Energy Storage,Energy Conversion and Biomedical Applications

Graphene, a two-dimensional (2D) layered material has attracted much attention from the scientific community due to its exceptional electrical, thermal, mechanical, biological and optical properties. Hence, numerous applications utilizing graphene-based materials could be conceived in next-generation electronics, chemical and biological sensing, energy conversion and storage, and beyond. The interaction between graphene surfaces with other materials plays a vital role in influencing its properties than other bulk materials. In this review, we outline the recent progress in the production of graphene and related 2D materials, and their uses in energy conversion (solar cells, fuel cells), energy storage (batteries, supercapacitors) and biomedical applications.     

Nanoarchitectured Graphene‐Based Supercapacitors for Next‐Generation Energy‐Storage Applications

Tremendous development in the field of portable electronics and hybrid electric vehicles has led to urgent and increasing demand in the field of high‐energy storage devices. In recent years, many research efforts have been made for the development of more efficient energy‐storage devices such as supercapacitors, batteries, and fuel cells. In particular, supercapacitors have great potential to meet the demands of both high energy density and power density in many advanced technologies. For the last half decade, graphene has attracted intense research interest for electrical double‐layer capacitor (EDLC) applications. The unique electronic, thermal, mechanical, and chemical characteristics of graphene, along with the intrinsic benefits of a carbon material, make it a promising candidate for supercapacitor applications. This Review focuses on recent research developments in graphene‐based supercapacitors, including doped graphene, activated graphene, graphene/metal oxide composites, graphene/polymer composites, and graphene‐based asymmetric supercapacitors. The challenges and prospects of graphene‐based supercapacitors are also discussed.     

The Application of Graphene and Its Derivatives to Energy Conversion,Storage, and Environmental and Biosensing Devices

Graphene (GR) and its derivatives are promising materials on the horizon of nanotechnology and material science and have attracted a tremendous amount of research interest in recent years. The unique atom‐thick 2D structure with sp² hybridization and large specific surface area, high thermal conductivity, superior electron mobility, and chemical stability have made GR and its derivatives extremely attractive components for composite materials for solar energy conversion, energy storage, environmental purification, and biosensor applications. This review gives a brief introduction of GR's unique structure, band structure engineering, physical and chemical properties, and recent energy‐related progress of GR‐based materials in the fields of energy conversion (e.g., photocatalysis, photoelectrochemical water splitting, CO₂ reduction, dye‐sensitized and organic solar cells, and photosensitizers in photovoltaic devices) and energy storage (batteries, fuel cells, and supercapacitors). The vast coverage of advancements in environmental applications of GR‐based materials for photocatalytic degradation of organic pollutants, gas sensing, and removal of heavy‐metal ions is presented. Additionally, the use of graphene composites in the biosensing field is discussed. We conclude the review with remarks on the challenges, prospects, and further development of GR‐based materials in the exciting fields of energy, environment, and bioscience.     

Graphene-based electrochemical energy conversion and storage: fuel cells, supercapacitors and lithium ion batteries

Graphene has attracted extensive research interest due to its strictly 2-dimensional (2D) structure, which results in its unique electronic, thermal, mechanical, and chemical properties and potential technical applications. These remarkable characteristics of graphene, along with the inherent benefits of a carbon material, make it a promising candidate for application in electrochemical energy devices. This article reviews the methods of graphene preparation, introduces the unique electrochemical behavior of graphene, and summarizes the recent research and development on graphene-based fuel cells, supercapacitors and lithium ion batteries. In addition, promising areas are identified for the future development of graphene-based materials in electrochemical energy conversion and storage systems.     

《碳纳米材料电化学》专辑序言 ——方兴未艾的电化学能量转换和存储先进材料和技术

可以预见,在相当一段时期内,能源和环境将是全球发展的两大主题. 其实,人类对能源的获取方式将对地球的生态环境和人类未来的生存状态和生活方式产生重要影响. 正因为如此,世界各国正在大力发展可再生能源和清洁能源. 电化学能源是将化学能高效转变为电能的一种能量转换方式,它历史悠久,但不断被改进和创新,尤其是近年来得到了较快的发展. 目前,电化学能源转换和存储器件主要包括一次电池（如锌锰电池等）、二次电池（如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等）、燃料电池、金属-空气电池以及超级电容器等. 电化学能源和其它可再生能源相互补充、交叉利用将是未来清洁能源的主要发展方向.     

Mixed Transition‐Metal Oxides: Design,Synthesis, and Energy‐Related Applications

A promising family of mixed transition‐metal oxides (MTMOs) (designated as A_xB_3‐xO₄; A, B=Co, Ni, Zn, Mn, Fe, etc.) with stoichiometric or even non‐stoichiometric compositions, typically in a spinel structure, has recently attracted increasing research interest worldwide. Benefiting from their remarkable electrochemical properties, these MTMOs will play significant roles for low‐cost and environmentally friendly energy storage/conversion technologies. In this Review, we summarize recent research advances in the rational design and efficient synthesis of MTMOs with controlled shapes, sizes, compositions, and micro‐/nanostructures, along with their applications as electrode materials for lithium‐ion batteries and electrochemical capacitors, and efficient electrocatalysts for the oxygen reduction reaction in metal–air batteries and fuel cells. Some future trends and prospects to further develop advanced MTMOs for next‐generation electrochemical energy storage/conversion systems are also presented.     

A review of transition metal chalcogenide/graphene nanocomposites for energy storage and conversion

Recent advances in the applications of transition metal chalcogenides/graphene (TMC/graphene) nanocomposites in future energy storage and conversion are reviewed. The synthesis processes and structures of TMC/graphene, workingpriciple of evergy energy device, and the electrochemical performances are summarized.     

碳材料在电化学储能中的应用

电化学储能材料是电化学储能器件发展及性能提高的关键之一. 碳材料在各种电化学储能体系中都起到了极为重要的作用,特别是近期出现的各类新型碳材料为电化学储能的发展带来了新动力,并展现了广阔的应用前景. 本文综述了碳材料,特别是以碳纳米管和石墨烯为代表的纳米碳材料,在典型电化学储能器件（锂离子/钠离子电池、超级电容器和锂硫电池等）、柔性电化学储能和电化学催化等领域的研究进展,并对碳材料在这些领域的应用前景进行了展望.     

石墨烯基催化剂的设计合成与电催化应用

为了解决能源匮乏和环境污染的问题,研究人员正致力于寻找清洁可持续的新能源。 其中,氧气还原、氧气析出、析氢反应等是紧密联系新型清洁能源获取和存贮的重要电化学反应。 为了提高其能量转化效率,电催化剂(如碳载铂Pt/C)被广泛地用于降低其反应活化能、提高能量转化效率。 近年来,石墨烯作为一种具有高比表面积和优异导电性的二维碳材料受到了广泛关注。 通过表面杂原子掺杂、缺陷调控和引入催化活性组分等方式,获得了催化性能与贵金属催化剂相媲美,且低价格和高稳定性的非贵金属石墨烯基催化材料。 针对氧气还原、氧气析出和析氢反应在燃料电池、金属-空气电池和电催化水分解中的应用,本文概括综述了通过表/界面结构性质调控提高石墨烯电催化性能和稳定性,获得具有双功能或复合催化性能的石墨烯基催化剂的最新研究进展。 最后总结和展望了亟待解决的问题及未来的发展趋势。     

一体式可再生燃料电池

一体式可再生燃料电池是可再生燃料电池中最先进的一种，它是在同一组件上既可以实现燃料电池功能又可以实现水电解功能的储能和供电系统，具有能量密度高、使用寿命长、使用中无自放电且无放电深度及电池容量的限制等优点，是极有希望在空间、军事及可移动电源领域替代传统二次电池的储能系统。本文介绍了一体式可再生燃料电池的研究进展，并提出了目前亟待解决的问题。