石墨烯化聚合物:一种兼具电子和离子传输通道的三维富碳高分子能源材料

近年来,用于电化学能源存储和转化的石墨烯材料,得到了研究者们越来越多的关注。但是,这些石墨烯材料不同于严格定义的单原子碳层结构,往往具有孔洞、杂原子和化学官能团等缺陷结构。由于制备方法的不同,缺陷结构各不相同,其电化学性能也表现各异。结构分析表明,这类材料是由类似石墨烯片段的单元与聚合物链共价连接而成,使其具有石墨烯和聚合物的双重特性,我们称之为石墨烯化聚合物。由小分子通过自下而上的方法制备的多孔聚合物,也可以通过进一步热交联等方法,使其形成包含石墨烯片段单元与聚合物链的化学结构。这些材料与石墨烯衍生材料一起组成了石墨烯化聚合物的整个谱系;这个谱系涵盖了由聚合物到石墨烯的过渡区。更重要的是,这类材料特殊的结构与性质,使其成为一种兼具电子和离子传输通道的三维富碳高分子材料,非常适合作为电极材料应用于电化学能源存储和转化,这为我们深入研究储能器件中电极材料的结构与性能的相关关系提供了很好的材料平台。     

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。     

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.     

用于超级电容器电极材料的石墨烯基纳米复合物的种类和研究现状

超级电容器是目前研究较多的新型储能元件,其大的比电容、高的循环稳定性以及快速的充放电过程等优良特性,使其在电能储存及转化方面得到广泛应用。超级电容器的电极材料是它的技术核心。石墨烯作为一种新型的纳米材料,具有良好的导电性和较大的比表面积,可作为超级电容器的电极材料。利用其他导电物质对石墨烯进行改性和复合,可以在保持其本身独特优点的同时提高作为电极材料的导电率、循环稳定性等其他性能。本文从半导体/石墨烯复合材料、金属及金属氧化物/石墨烯复合材料、石墨烯/导电聚合物复合材料3个方面综述了复合改性后的石墨烯在超级电容器电极材料方面的研究进展。通过对各复合物电极材料的制备方法和性能的对比分析,指出石墨烯基复合物作为超级电容器的电极材料的未来研究内容是开发低成本、高比容量和高循环稳定性的复合物。     

三维(3D)石墨烯及其复合材料的应用

三维（3D）石墨烯通常是指具有3D结构的二维（2D）石墨烯组装体,是近年来石墨烯化学领域的新型功能性材料。将2D石墨烯片整合成具有3D结构的组装体可以有效调控石墨烯的电学、光学、机械、化学和催化特性,因此3D石墨烯材料不仅具有石墨烯固有的理化性质,其三维多孔的微/纳米结构还使其兼具比表面积大、机械强度高、电子传导能力优越及传质快速等优良特性。这些独特的性质使3D石墨烯及其复合材料在材料科学领域备受关注。研究发现,3D石墨烯及其复合材料应用于纳米电子学、能量储存和转换、化学和生物传感等研究领域均表现出优越的性能。本文结合当前研究热点,综述了3D石墨烯及其复合材料在催化、储氢/气体吸附、传感器、环境修复、超级电容器等领域中的应用进展,并简要评述目前3D石墨烯材料应用中所面临的挑战及发展前景。     

石墨烯材料的储锂行为及其潜在应用

由于石墨烯材料独特的性质,其在锂离子电池材料方面显示出潜在的应用前景.深入理解石墨烯材料的储锂行为,对于其在储能领域的应用具有极为重要的意义.石墨烯材料作为负极材料具有与低温软炭材料类似的充放电特征.无序度或比表面积高的热还原石墨烯材料具有相对更高的可逆储锂容量.石墨烯材料中大量的微孔缺陷能够提高可逆储锂容量,但同时也会造成电压滞后及容量衰减.石墨烯材料作为锂电池正极材料,其电化学性能主要来源于表面含氧官能团与锂离子在高电位下的可逆氧化还原反应,且不可逆容量较低.利用石墨烯负极高容量与石墨烯正极高倍率放电的特性,可以设计出具有高能量密度的锂离子电容器和高比容量的石墨烯复合锂电池正极材料.     

高介电性能石墨烯/聚合物纳米复合材料研究进展

石墨烯作为一种新型二维平面纳米材料,表现出许多优异的物理性质.将石墨烯与聚合物复合,利用其独特的结构及物理性质,有望开发一类具有卓越介电性能的纳米复合电介质材料.本文总结了高介电石墨烯/聚合物纳米复合材料这一研究方向的最新进展,重点介绍了石墨烯提高聚合物基体介电性能的基本理论、石墨烯/聚合物界面对复合电介质性能的影响等,并简要展望了这类材料的发展前景.     

氧化石墨烯和石墨烯在催化领域中的应用研究进展

石墨烯具有独特的二维平面结构,其导电性能好,比表面积大,耐酸碱,耐高温.基于石墨烯的优异特性,本文作者从材料的合成和结构等方面对石墨烯基催化剂的研制及其催化性能进行了评述.介绍了石墨烯催化体系的类型和机理,对石墨烯催化中存在的问题进行了简单分析,并对石墨烯在催化领域的应用前景进行了展望.     

石墨烯/偶氮杂化材料研究进展

石墨烯作为一种新型二维平面纳米材料,表现出许多优异的物理性质.含偶氮苯的化合物和聚合物作为功能材料具有独特的光响应性质.将石墨烯的特性与偶氮材料的光响应性相结合,有望发展一类具有卓越性能的新型光电功能材料.本文总结了石墨烯/偶氮杂化材料这一研究方向的最新进展,重点介绍了杂化材料的制备、表征和光电功能性质等,并简要展望了这类材料的发展前景.     

基于石墨烯修饰电极的电化学生物传感

石墨烯是一种具有单原子厚度的二维碳纳米材料,具有大的比表面积、高的导电性和室温电子迁移率,以及优异的机械力学性能.石墨烯还具有电化学窗口宽,电化学稳定性好,电荷传递电阻小,电催化活性高和电子转移速率快等电化学特性.化学修饰石墨烯,特别是氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(rGO),可以被宏量、廉价地制备出来.它们具有可加工性能,可以被组装、加工或复合成具有可控组成和微结构的宏观电极材料.因此,石墨烯及其化学修饰衍生物是用于电化学生物传感的独特而诱人的电极材料.例如,GO是一种化学修饰石墨烯,也是石墨烯的重要前驱体;其边缘具有大量的羧基可用于共价固定酶,从而能实现酶电极的生物检测.在GO上的不可逆蛋白吸附也可以促进蛋白质的直接电子转移以提高其电化学检测性能.但是,GO大量的含氧官能团破坏了石墨烯本征的共轭结构,降低了其电学性能并限制了其实际应用.GO可以通过化学、电化学、热还原等技术转化成rGO,从而能部分修复其共轭结构,提高其导电性与传感性能.另一方面,石墨烯是一种零带隙材料;原子掺杂可以调控其能带结构,提高其电催化性能.石墨烯材料也常常需要通过与其它功能材料的复合进一步改善其可分散与可加工性能,提高其电催化活性和电化学选择性.本文综述了本征石墨烯(包括GO,rGO和掺杂石墨烯)以及石墨烯与生物分子、高分子、离子液体、金属或金属氧化物纳米粒子等复合材料修饰电极在检测各种生物分子方面的研究进展,并对该研究领域进行了展望.     

三维石墨烯材料制备方法的研究进展

石墨烯是由单层碳原子组成的新型二维碳纳米材料,因其众多独特而优异的理化特性,已成为近年来材料科学领域中最耀眼的明星材料。整合二维(2D)石墨烯形成具有微纳米结构的三维(3D)石墨烯材料,可有效调控石墨烯的电学、光学、化学、机械和催化特性。近期研究发现,基于3D石墨烯构建的功能器件在储能、环境、传感及生物分析领域表现出更为突出的性能。因而,制备新型3D石墨烯材料已成为当前石墨烯化学的研究热点。目前3D石墨烯材料的制备方法主要包括溶液自组装、界面自组装、模板介导合成法等。通过改变原材料或制备方法,可以有效调控3D石墨烯柔韧性、多孔性、活性面积、电子传递速度及传质等性能。本文介绍了当前3D石墨烯材料制备方法的研究进展,并简要评述3D石墨烯材料制备研究中所面临的挑战及应用前景。     

含异原子石墨炔基电极材料的研究进展

碳材料具有价格低廉、 易制备、 环境友好、 导电性高、 比表面积大以及适合离子存储和迁移等优点, 已成为目前应用于电化学储能器件电极的重要材料之一. 石墨炔(GDY)是一种新型的二维碳同素异形体, 由sp²碳杂化形式的苯环和sp碳杂化形式的炔键构成. 这种独特的化学结构一方面保持了碳材料良好的导电特性, 另一方面形成了新颖的离子传输通道, 为碳材料带来了不同的离子传输和存储特性. 与此同时, 由于石墨炔的空间结构可调性, 可以通过引入异原子微调石墨炔电子结构, 拓展石墨炔在电极材料领域的应用. 本文重点对近几年异原子杂化石墨炔基电极材料在锂离子电池、 钠离子电池、 金属硫电池、 电容器、 金属空气电池和电极保护等储能领域的研究工作进行总结, 并对未来石墨炔类材料在储能领域的发展进行了展望.     

石墨烯基纤维电容器的可控制备及应用

超级电容器又名电化学电容器,是一种绿色储能器件。 超级电容器的研究,从根本上讲是寻找比表面积大且可以被充分利用的电极材料。 石墨烯作为sp²杂化碳质材料的基元单位,具有独特的二维结构和优异的物化特性,使得其在超级电容器领域具有巨大的应用潜力,其中石墨烯纤维超级电容器受到了研究工作者越来越广泛的关注。 本文通过对一维石墨烯纤维的自组装以及与制备材料的共组装来作为超级电容器的电极材料,对其可控制备进行了系统的归纳和总结,可控构建独特的电极材料,使其性能得以优化,组装出高性能的超级电容器,并对相关领域的发展趋势做了展望。     

石墨烯在复合热电材料中的应用

热电材料是一种可以实现热能与电能之间直接相互转换的功能材料,在温差发电和热电制冷方面具有广阔的应用空间。石墨烯是一种单原子层厚度的二维碳材料,具有特殊的晶体结构和优异的物理化学性质。大量研究表明石墨烯优异的电学性能、超大的比表面积以及多样的边界结构有利于材料电、热性能的协同调控,使其在热电领域有较大的应用潜力。本文结合热电材料的性能特点,从石墨烯的结构与性能入手,综述了石墨烯自身作为热电材料时结构与性能的优化关系,并总结归纳了石墨烯与Bi₂Te₃、CoSb₃等传统无机热电材料以及与导电高分子热电材料构成纳米复合块体和薄膜时,对材料结构与热电性能的影响,并结合现存的问题对石墨烯在热电领域中的应用进行了展望。     

二维材料的凝胶化及电化学储能应用

近年来, 二维材料由于其独特的结构以及高电化学活性在储能领域中备受关注. 然而在实际应用中, 二维材料的“面-面”堆叠极大地限制了其性能的发挥. 凝胶化作为实现纳米材料液相三维组装的重要手段, 不仅可以有效减少二维材料的团聚, 保留更多活性位点, 同时形成的三维网络结构可以提供畅通的离子电子传输通道, 提升材料在储能应用中的实用性. 不仅如此, 二维材料的凝胶化在电极材料孔结构设计以及活性物质缓冲空间定制方面具有先天优势. 本文以氧化石墨烯凝胶化过程的方法和原理为基础, 综合评述了石墨烯及其它几类较典型的二维材料的凝胶化机制及方法, 梳理了其孔结构调控策略, 并对凝胶化二维储能材料的设计以及应用进行了归纳、 总结及展望.     

基于石墨烯基材料的非金属液相催化反应

非金属碳基催化剂因其具有合成简单、结构稳定、比表面积大、可调控性强等特点受到了研究者的关注,已成为最活跃的研究领域之一。以二维、单原子层、六方结构的碳为基础的石墨烯和其高度氧化形态——氧化石墨烯是一类新兴的碳基材料。这类材料在催化领域的应用在近五年内才刚刚兴起。此类材料可用于烃类转化、有机化学合成、能源转化等多种催化反应,本文主要综述了采用化学氧化还原法制备的石墨烯和氧化石墨材料为催化剂的各类催化反应的最新研究进展。     

石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用

石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料, 它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质. 有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一. 本文仅就目前石墨烯的制备方法、功能化方法以及在化学领域中的应用作一综述, 重点阐述石墨烯应用于化学修饰电极、化学电源、催化剂和药物载体以及气体传感器等方面的研究进展, 并对石墨烯在相关领域的应用前景作了展望.     

石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用

石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料, 它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质. 有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一. 本文仅就目前石墨烯的制备方法、功能化方法以及在化学领域中的应用作一综述, 重点阐述石墨烯应用于化学修饰电极、化学电源、催化剂和药物载体以及气体传感器等方面的研究进展, 并对石墨烯在相关领域的应用前景作了展望.     

石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用

石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料, 它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质. 有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一. 本文仅就目前石墨烯的制备方法、功能化方法以及在化学领域中的应用作一综述, 重点阐述石墨烯应用于化学修饰电极、化学电源、催化剂和药物载体以及气体传感器等方面的研究进展, 并对石墨烯在相关领域的应用前景作了展望.     

石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用

石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料, 它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质. 有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一. 本文仅就目前石墨烯的制备方法、功能化方法以及在化学领域中的应用作一综述, 重点阐述石墨烯应用于化学修饰电极、化学电源、催化剂和药物载体以及气体传感器等方面的研究进展, 并对石墨烯在相关领域的应用前景作了展望.