1 引言
自Geim和他的同事于2014年制備出獨立存在的完美的單層石墨烯，并證明其具有突出的電子性能，從而引發了研究熱潮，基于石墨烯的高遷移率，霍爾效應、迪拉克電子結構、熱傳導等特性?？茖W家提出了很多重要且創新的應用。在過去幾年中，已經發表了大量關于石墨烯在能源領域的研究進展，本文簡單總結了一下石墨烯和氧化石墨烯在能量領域的研究進展。
2 石墨烯在綠色能源方面的應用
為了解決能源危機，綠色能源技術就越來越顯得重要。這主要包括兩部分：能源轉換和存儲。在所有選擇中：化石能源、太陽能是最有可能滿足人類長期發展需求的能源。目前，商用太陽能技術是基于硅材料的。由于低成本、輕便、溶劑處理、機械靈活性/彈性高，太陽能光伏技術裝置被作為下一代太陽能轉換技術。
OPV的主要問題之一是其最常用的電子接收器PCBM.這一點引導了其他碳族同素異形體的研究，包括CNTs作為接收器。然而，一些不受歡迎的因素，比如難溶性、雜質、集束結構，很大程度的阻礙太陽能裝置的性能。
石墨烯的很多優良性能都表明石墨烯可以作為一種有競爭性的電子接收器材料。OPV器件是以帶有有機官能團的石墨烯材料作為電子接收器的，P3OT作為供體，制得產量達1.4%的能源轉換效率，功率達到1.4%與迄今為止最好的OPV結果相當。但是與最好的OPV器件所用的其他材料相比，是用富勒烯作為電子接收材 料 的。最 近 一 些 研 究 報 道 了 相 似 的 結 果，將C60嫁接到石墨烯材料上用作太陽能電池上作為電子接收器，在P3HT基的體異質結具有1.22%的能源轉換效率。能量儲存方面，超級電容器（SC）作為一種非常有前景的技術平臺，具有恒定的充電/再充電能力、壽命長，安全性強，幾乎不用維修等特點。當前，與電池的能量密度（鉛酸蓄電池30~40W3h/kg）相比，SC具有較低的能量密度（3~5 W3h/kg），這一點限制了它的廣泛應用。關于SC活性材料的主要需求是高比表面積、導電性和較好的電化學穩定性。這些需求幾乎都完美的與石墨烯的性能相匹配，石墨烯的理論比電容為550F/g.
我們制備了幾種石墨烯材料，然后按照工業標準用它們來構造SC裝置，最好的結果是比熱容為205F/g、能量密度分別是10kW/kg和28.5W3h/kg.通過對這些電容器的長期循環進行觀察，經過1200個試驗周期之后，比熱容仍然保持在~90%.很多課題組用不同的石墨烯材料報道了許多性能數據。其中有一項工作是用KOH活化氧化石墨烯材料，從而制得一種在有機介質中具有高比表面積的（3100m2/g）并且比熱容為166F/g的器件。
關于SC用石墨烯作為原料最重要的問題是，通常是從氧化石墨烯開始，來阻止石墨烯薄片在氧化石墨烯還原的過程中的堆疊。為了解決這個問題，一種方式加入起到空間阻隔作用的取值來阻止片層的堆疊。
通過這種方法，可以制得一種碳納米管/石墨烯的雜化材料，經過在原位進行水熱處理，生成一種石墨烯和碳納米管的三維分層結構。的確，利用這種策略，石墨烯薄片的堆疊現象幾乎可以完全受到抑制，制得了一種比熱容為318F/g的器件。
3 石墨烯復合材料作為制動器
制備任何復合材料，第一個問題就是將填充物均勻的分散在基質上，氧化石墨烯或其改良材料因其溶解性良好，所以非常適合作為制備石墨烯復合材料的前體。顯然，石墨烯薄片分散成單個分子水平狀態是理想的狀況，溶劑處理過程是很簡單有效的，也可能是最容易的方法。為了避免石墨烯薄片的堆疊，既可以通過在石墨烯上加入功能團，也可以在石墨烯薄片之間加入分散劑。一個突出的，也是最早的，出自Ruoff的研究組，首先用異氰酸苯酯上大量的羧基和羥基在氧化石墨烯上引入官能團，這些官能團可以使石墨烯融入二甲基甲酰胺這樣的有機溶劑中。用二甲肼處理氧化石墨烯和聚合物的混合溶液，來還原氧化石墨烯。
在還原的過程中，石墨烯薄片本征的堆疊被聚合物分子阻止。直接用氧化石墨烯而不用進一步修飾效果可能更好。比如，我們選擇一種最常用的聚合物，如聚乙烯醇（PVA）作為基底來制備石墨烯復合材料。
PVA可以在水中處理。在石墨烯/PVA納米復合材料中，用水作為溶劑處理過程的溶劑，石墨烯薄片可以均勻的以分子水平分散。這些可以通過XRD進行觀察。進一步，在石墨烯和聚乙烯醇基底之間有效的負荷轉移，比如，每增 加0.7wt%的 氧 化 石 墨 烯，拉 伸 強 度 增 加76%,彈性模量增加62%.石墨烯和聚乙烯醇之間的負荷轉移取決于分子水平的分散和PVA上的OH和GO上的OH/COOH形成的氫鍵。
用復合材料的基本原因是從不同的組成中獲得多重或穩定的功能，如果獨立使用每一組分是無法實現的。這是我們用熱塑形狀或驅動材料熱塑性聚氨酯作為基底來制備石墨烯復合材料的情況。在熱刺激的條件下，熱塑性聚氨酯具有存儲和恢復大應變的能力，這是因為它的雙相結構：一個熱可逆相是從一個瞬態和一個固相恢復到原來的形狀。溫敏性聚合物致動材料因其具有熱可逆性而得到廣泛應用。然而，TPU,是一種紅外透明高分子材料，不表現光致驅動，這時石墨烯就要起作用了。當TPU/石墨烯的復合材料暴露在光照下，可以觀察到一種顯著地、重復的紅外引發的驅動下，有非常低的石墨烯負載，能量密度達0.40J/g.這種納米復合材料的機械性能得到顯著提高。綜上所述，這些結果甚至超過很多商業用高彈性制動器。當暴露在光照下，復合材料中的石墨烯薄片首先吸收光能，并將其轉換成熱能，然后作為納米加熱器將能量傳遞至所有的單元，一起加熱TPU基底。從而導致TPU改變晶型，并輕微的引發形狀恢復或改變。
磁性導電材料，尤其是具有良好的彈性的材料，在很多 應 用 中 非 常 重 要。應 用 最 廣 泛 的 磁 性 材 料 是Fe3O4,然而不能作為一種柔性獨立膜，限制了它的應用。通過溶 劑 處 理 過 程 后，可 以 制 得 一 種 石 墨 烯 和Fe3O4的雜化材料。通過真空過濾后，可以制得一種柔性獨立紙。這種雜化材料具有良好的導電性和超順磁性，同時還可以提高機械強度和彈性。雜化紙的磁性可以 滲 透 到 低 磁 場H=1300Oe,飽 和 磁 化 量Ms=7.29emu/g,7.54%的Fe3O4的磁場中。
石墨烯雜化紙的電導率達到103S/m.這種材料的綜合性能使其成為多通道控制/長時間執行功能的一種優 選。在 一 種Fe3O4/石 墨 烯 復 合 材 料 中，由 于Fe3O4納米粒子插層，使石墨烯的層間距增加，這為一種外層電子提供了較好的通道到達石墨烯巨大的表面區域。這證明在相同的條件下，與純石墨烯材料相比具有更好的電化學驅動作用證實了這一點。
4 結論與展望
綜上所述，可知石墨烯的確是一種可用于能源領域且性能優良的材料。繼C60和CNTs之后，目前正是第三波關于碳的熱潮，迄今為止，所有這些關于碳的努力都帶給我們一些真實的重要應用。石墨烯會帶給我們更多的創新嗎？在一個廣泛的歷史角度看，有一個大的問題：碳會成為繼硅時代之后的下一個新技術元素嗎？石墨烯似乎具有很多超乎其他碳族同素異形體的優勢，只有時間和不斷的探索可以告訴我們最后的結果。
