石墨烯是一種二維新型碳材料，以其獨特的結構和優異的性能，在物理、化學和材料學界引起了廣泛的研究興趣。簡要介紹了石墨烯及其功能化改性，并對近年來石墨烯復合材料在鋰離子電池、超級電容器、燃料電池電極載體、光伏電池等能源領域的研究進行了綜述。

　　2004 年，Geim 和Novoselov 用膠帶剝離石墨晶體首次獲得了石墨烯，并因此獲得2010 年諾貝爾物理學獎。石墨烯具有高的力學性能(1.06×10³ GPa) 、熱導率[3×10³ W/(m·K) ]、電荷遷移率[1.5 ×10⁴ cm² /( V·s) ]、大的比表面積(2.6 × 10³ m² /g)以及獨特的量子霍爾效應等許多優異的物理化學性質，使其在儲能材料、催化劑載體、傳感、電極材料、阻燃材料、復合材料等領域具有廣泛的應用前景，因而受到研究者的廣泛關注。

　　石墨烯與碳納米管相比，具有相似的物理性質、更大的比表面積以及更低的生成成本，有望取代碳納米管成為新型碳基復合材料的優質基體材料。但石墨烯之間存在的強的范德華力和π-π 堆積，使其在溶液或固相時團聚明顯，極大的限制了石墨烯在諸多領域的應用。因此，需要對石墨烯進行功能化，制備出石墨烯基復合材料，提高其分散性，并最大程度保留它的優異的物理化學性質，并賦予其新的特性。本文綜述了石墨烯復合材料的制備方法以及在鋰離子電池、超級電容器、低溫燃料電池等能源領域的應用。

1、石墨烯改性途徑

　　石墨烯(GE) 是一種由sp²雜化的碳原子以六邊形排列形成的周期性蜂窩狀二維碳質新材料，其厚度只有一個碳原子的厚度( 約為0.335 nm) 。石墨烯是其他各種碳材料的基本結構單元，可以翹曲成零維的富勒烯、卷曲成一維的碳納米管、堆疊形成三維的石墨晶體。

　　石墨烯之間存在強的范德華力和π-π 堆積，使其在溶液或固相時團聚明顯，因而需要對其進行改性。理論研究表明，可通過對石墨烯進行改性來調節其性質，摻雜或吸附其它原子可以產生電子遷移，從而改變其六角結構的C 原子的散射中心，改變其電子結構性質，從而改變其性能。

　　石墨烯的功能化方法總體可分為兩大類：非共價功能化和共價功能化。非共價功能化最大的優點是對石墨烯的破壞性小，可以最大程度保留石墨烯的本質特性，缺點是負電荷的作用力小，復合材料的穩定性較弱；共價功能化使功能分子與石墨烯之間通過共價鍵結合，制備的材料穩定，缺點是共價鍵的引入，破壞了石墨烯的有序結構，會犧牲石墨烯一部分性能。石墨烯的功能化的途徑主要有兩種： 一種是先制得石墨烯，然后進行功能化；另一種是先制得氧化石墨烯，再進行功能化，然后再還原獲得石墨烯。

2、石墨烯復合材料在能源領域的應用

2.1、鋰離子電池

　　碳材料是最早被商業化的鋰離子電池負極材料，如今已得到廣泛的應用，如石墨化碳材料、炭微球材料等。石墨烯作為碳材料的一員，以其特有的結構、較高的比表面積、特異的電子傳導方式而受到研究者的關注。

　　石墨烯基的復合材料作為負極材料也比單一的原材料電極普遍表現出更優異的性能。這是由于：①石墨烯的引入，可以有效地緩解負極材料在脫嵌鋰過程中嚴重的體積膨脹，延遲電極的使用壽命；②石墨烯可以和某些物質產生協同效應，實現比原電極更高的比容量和更好的循環性能；③某些元素的加入可以防止石墨烯表面的失活。所以，石墨烯基復合材料是一種優異的鋰離子電池負極材料。Lian 等將氧化石墨粉末在氮氣氣氛下快速熱膨脹制備高品質的石墨烯薄片，在電流密度為100 mA/g 的條件下，其首次可逆容量為1 264 mAh/g，40 次循環后其可逆容量為848 mAh /g；當電流密度提高至500 mA/g 時，其可逆容量仍然可達到718 mAh /g。Shanmugharaj 等在微波條件下，通過石墨的氧化和迅速膨脹，制備石墨烯片層，它的初始放電容量為580 mAh /g，50 次循環后，其比容量為420 mAh /g，表現出良好的循環性能。Li Tian 等在300 ℃下通過H2熱還原氧化石墨制備石墨烯，將此石墨烯作為負極材料，在電流密度為50 mA/g 的條件下，其放電容量為1 540 mAh /g，庫侖效率在97%以上。

　　由此可知，無論哪種方法制備的石墨烯，其可逆容量都要遠遠高于石墨負極，其循環性能也要好于石墨負極。

2.2、超級電容器

　　石墨烯分散后具有非常大的儲能活性，這是因為石墨烯具有高達2 630 m² /g 的理論比表面積，因此石墨烯復合材料可用于超級電容器領域。Zhang 等通過原位聚合過程，分別將導電高聚物聚乙撐二氧噻吩(PEDOT) 、聚苯胺(PANi) 、聚吡咯(PPy) 直接接枝在還原氧化石墨烯(RGO) 表面，形成納米復合材料，并通過循環伏安法對三種復合材料的電化學性能進行檢測。結果表明，乙醇在實現聚合物均勻負載在RGO 表面起到非常重要的作用。在電流密度為0.3 A/g 時，RGO-PEDOT、RGO-PANi、RGO-PPy 三種復合材料的比電容分別為361， 248， 108 F /g，而且經過1 000 次充放電循環后，電容量保持為初始電容的80%，表現出優良的循環穩定性。分析認為，這種優異的電性能歸功于導電高聚物與石墨烯的協同作用。

　　Wu 等通過分散后真空過濾的方法，制備了化學轉化石墨烯(CCG) 、聚苯胺納米纖維(PANINFS)以及二者復合材料(G-PNF) 3 種薄膜。研究發現，復合薄膜具有層狀結構，機械性能穩定，且具有非常高的靈活性，可以彎曲成各種所需結構。含有44%的石墨烯的復合薄膜的導電性為550 S /m，是PANI-NFS 薄膜的10 倍。基于該柔性導電復合材料制備的電容器，其電化學容量為210 F /g。

2.3、燃料電池電極催化劑載體

　　低溫燃料電池中，無論是陽極氧化反應，還是陰極還原反應，都需要Pt、Pd 等貴金屬作為催化劑，由于貴金屬造價較高，限制了電池的實際應用。為提高電池貴金屬的催化活性和利用效率，可將貴金屬擔載在石墨烯載體上。石墨烯上的大π 鍵與貴金屬催化劑之間存在的強的相互作用，可以有效阻止貴金屬粒子的遷移、聚集，提高催化劑的穩定性；另一方面，石墨烯良好的導電性使其在催化反應中電子容易傳導而降低電池的內阻，提高電池的性能。石墨烯這些特性，使其在燃料電池載體方面應用潛力巨大。

　　Li 等采用乙二醇為溶劑和還原劑，將1 ～5 nm 的Pt 納米粒子沉積到石墨烯和碳納米管上，制備出2 種電催化劑，研究表明，Pt-石墨烯與Pt-碳納米管的電化學活性表面積分別為36. 27 m2 /g 和33. 43 m2 /g，前者比后者具有更好的電催化活性。另外，還有很多文獻報道了采用NaBH4、H2等作為還原劑，或采用電化學還原、分步化學還原等方法，將Pt、Pd 等金屬負載到石墨烯上，得到了電催化性能優越的復合材料，證明石墨烯作為燃料電池電極載體材料具有廣闊的應用前景。

2.4、光伏電池

　　石墨烯在太陽能光伏電池中的應用主要是在有機光伏電池(OPV) 和染料敏化電池(DSSCs) 兩個領域。石墨烯復合材料通常作為有機光伏池的透明電極和異質結(BNJ) 活性層和染料敏化電池的窗口電極和極板。

　　Yin 等將化學還原氧化石墨烯(rGO) 轉移到聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET) 基底上，作為透明導電電極，用于柔性OPV 設備。研究表明，當rGO 的光學透光率高于65%時，OPV 設備的性能主要依賴于通過rGO 電極的電荷傳輸效率。然而，如果rGO的透光率低于65%，OPV 設備的性能主要依賴于光透射效率，即為rGO 薄膜的透光率。而且該rGO 薄膜表現出較好的柔韌性，可在柔性光電學領域得到廣泛的應用。

3、結束語

　　以石墨烯為基體制備納米復合物材料的實驗和理論研究拓展了石墨烯的應用。目前對于石墨烯的復合方法主要有以下3 種： ①對石墨烯進行表面修飾或元素摻雜，使石墨烯能夠在不同的溶劑中形成穩定的分散體系；②在石墨烯上負載金屬或金屬氧化物等無機納米顆粒，該類復合材料在催化、生物傳感、電池、超級電容器等方面有著廣泛的應用潛能;③石墨烯與高聚物復合也已在機械性能、光伏電池、超級電容器等方面展現出較為優異的性能。

　　目前石墨烯材料的研究還面臨著許多問題和挑戰，如石墨烯與無機納米顆粒的相互作用機理、與高聚物的相容性、復合材料應用的拓展與深入等，仍亟待進一步深入研究。石墨烯的出現，給研究者提供了一個充滿魅力和想象空間的研究對象，相信在不久的將來，石墨烯定會在更多的領域得到更為廣泛和深入的應用。