石墨烯（Graphene）又称单层石墨片，是一层密集排列在六角型呈蜂巢晶格上的碳原子所构成的薄膜，其不仅是目前世界上已知的最薄材料，还是当前唯一发现的二维自由态原子晶体。石墨烯中的碳原子以独特的二维结构进行排列，具有许多优异的特质，例如其强度大、导热性与导电性极好，具备超大的比表面积，而且其合成原料是石墨，价格低廉。因而，石墨烯在晶体管、太阳能电池、传感器、超级电容器、场发射和催化剂载体等方面有着良好的应用前景，被学界认为是一种可以大力促进科学研究进步的化学材料。

中国科学院预计，到2024年前后，石墨烯器件有望替代互补金属氧化物半导体（CMOS）器件，在纳米电子器件、光电化学电池、超轻型飞机材料等研究领域得到应用[[2]]。 目前，全球范围内仅电子行业每年需消耗大约2 500t半导体晶硅，纯石墨烯的市场价格约为人民币1000元/g ，其若能替代晶硅市场份额的10%，就可以获得5 000亿元以上的经济利益；全球每年对负极材料的需求量在2.5 万t以上，并保持了 20%以上的增长，石墨烯若能作为负极材料获得锂离子电池市场份额的10%，就可以获得2500t的市场规模。可见，石墨烯具有广阔的应用空间和巨大的经济效益。

正是在这一背景下，目前国内外对石墨烯技术的应用研究如火如荼，而主要的研究热点则集中在储能、电化学分析和石墨烯的生物安全性等方面。

储能材料领域

新型储能材料的研发是推动高效储能技术发展的基础。近年来，化学储能领域对石墨烯的研究主要集中在氢能存储、超级电容器制造、锂离子电池和锂-空气电池制造等4方面。研究的重点则集中在对石墨烯制备方法的探索，对石墨烯功能化的试验研究以及基于石墨烯本身性质来研发结构完善的高性能石墨烯基储能元件。

1.储氢方面

氢能源作为二次清洁能源是能源发展计划中不可或缺的新能源之一。其具有损耗少、无污染、回收利用率高、且利用形式多样等特点，被誉为21世纪的绿色能源[[3],[4]]。利用特殊材料吸附氢是一种新型的储氢方法，研究结果表明，目前已使用的活性炭、富勒烯以及碳纳米纤维等碳材料的储氢能力均未达到理想的状态，而作为sp2 杂化碳基本构成单元的石墨烯自问世以来，就展现出相对于其他碳材料更为优异的储氢性能，国内外学者也因此积极探索石墨烯及其复合结构在储氢方面的潜能。 Chen等[[5]]结合钯纳米颗粒与石墨烯材料，制成二维石墨烯纳米片，与活性炭材料混合后生成一种全新的储氢材料。研究结果表明，该储氢材料的储氢量在压力为10MPa 状态下可以达到0.82%（质量分数），相较于单纯的钯纳米材料提升了近49%，该材料不仅存储性能良好且吸附性的可逆程度较高。

2.超级电容器方面

超级电容器又可称为双电层电容器，是一种新型储能器件，具有充放电效率高、绿色环保、安全可靠、以及循环可逆性等优点，可以广泛应用于移动通讯、计算机技术、航空航天和国防科技等领域[[6]]。因此其独立支撑的电极必须具备力学强度高和电容大的特质。相对于其他碳材料，石墨烯的电导率高、比表面积大、且化学结构稳定，更加适合作为超级电容器电极材料。目前大多数研究观点认为高温环境是化学法还原氧化石墨烯的必要条件，但Lü等[[7]]在真空环境中、并在200℃这一远低于理论临界剥离温度[[8]]的条件下成功制得了石墨烯。相比高温法制得的石墨烯，通过这种方法制出的石墨烯，其比容量更高，达到了279 F/g。

然而，当前对石墨烯、金属氧化物以及导电聚合物复合材料的研究仍限于实验室内，还未解决如何规模化制备质量良好的石墨烯及其复合材料的问题，对基于石墨烯的超级电容器的体积比性能的研究也较欠缺。

3.锂离子电池方面

锂离子电池通过锂离子（Li+）在正负两极之间的移动来进行工作，因此电池正极材料的导电性能则会密切关系到锂离子电池的能量密度和功率性能。实际上，大部分电极材料的比容量都与理论上可达到的比容量相距甚远，尤其是在大电流充放电时，电极材料的比容量会大幅下降。石墨烯材料因具备优异的电子导电性，被应用 到锂电子电池的研究中。石墨烯层应用于电池的正极材料中，不仅可以减少电池的界面电阻，便于Li+在电池的正负两极间传导，还有助于减慢金属氧化物溶解相 变的速度，从而保证锂电池的电极在电循环周期中保持结构[[9]]。Wang等[[10]]采用三元共组装法，将氧化锡（SnO2）与石墨烯整合在一起，与表面活性剂多元协同，制备出三元有序纳米复合材料（见图1），该材料用于电极的比容量可达到760 mA·h/g，且该材料是一种良好的缓冲材料，利于提高锂离子电池电极材料的循环稳定性。

图1 SnO2-石墨烯复合自组装而成三元有序纳米复合材料

4.锂-空气电池方面

锂-空气电池作为理想的高比能量化学电源，成为近年来的研究热点。目前，石墨烯在锂-空气电池研究应用中，显示出突出的优越性，其不仅可以构成电池的正极材料, 更表现出可观的催化活性。在锂-空气电池中，石墨烯作为催化剂或催化剂基底展示出其潜在的优势，可以提高催化效率，并且不断提高锂-空气电池的循环性能， 其比表面积巨大以及多孔体系的特性提升了锂-空气电池的放电容量。Sun等[[11]]在电解质为烷基碳酸酯的锂空气电池中，将石墨纳米片（NGS）作为阴极催化剂，证明了与Vulcan XC-72碳电极相比，NGS电极的循环性能更好、过电位更低。Zhang等[[12]]制备出一种空气电极为石墨烯泡沫的锂空气电池，实验表明在锂-空气电池中电流循环20 次的情况下，其循环效率只损失了20%，并且其放电电压稳定在2.8 V。