参考文献 14

致谢 16

1 前言 

1.1石墨烯发现过程 

近年来，碳纳米材料一直是各领域科学家关注的热点，上世纪富勒烯[1]及碳纳米管[2]的发现引起了极大的轰动。在2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈•撒姆和康斯坦丁•玛卡李奇成功地在实验中分离出石墨烯[3]，从而证明完美的二维结构不会在自由状态下存在，但有限尺寸的二维石墨烯晶体在一定条件下是可以稳定存在的，同时也填补了碳族二维材料的空缺。

石墨烯的发现，激起了空前的反响，各国研究人员都对其进行研究，发现由于其独特的物理化学特性，使得石墨烯在物理，化学，生物，材料等领域具有广泛的应用前景。

1.2石墨烯的结构和性能 

   石墨烯是由sp2杂化的碳原子以六边形排列形成的蜂窝状二维层状结构，是一种超轻材料，具有典型的半金属特性。在光学性能上，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，不同层数的石墨烯，在显微镜下也会呈现不同的颜色。在导电性能上，石墨烯在常温下的电子迁移率超过1500 cm2(V•s)-1[4]，而电阻率只约1 Ω•m。在热力学性能上，理论上石墨烯的比表面积达2630 m2•g-1[5],热导率可达5000W• (m.K)-1,硬度更是金刚石的3倍。在力学性能上，石墨烯都被认为是强度和硬度最高的晶体材料。

此外，石墨烯还具有铁磁性[6]和室温量子霍尔效应[7]等特殊性能，这些性能使得石墨烯在许多领域都有潜在的应用，如吸附[8]，催化，生物传感器[9]，酶生物燃料电池，场效应晶体管[10]，透明传导膜，清洁能源设备等。

1.3 石墨烯的制备 

近年来，由于石墨烯的优良电化学、力学、光学、磁学和热力学性能，世界上有越来越多的研究人员参与到石墨烯的合成、性能与应用的研究中[11]。从2004年石墨烯发现至今，对于制备石墨烯已经取得了长足的进步。目前制备石墨烯的方法主要有机械剥离法，模板法，外延生长法，化学气相沉积法，化学剥离法，剖裂碳纳米管或者富勒烯制备法，溶剂热法，纯有机合成法，固态碳源生长法等。

现今，大多数科研人员一般采用氧化-还原法制备石墨烯，该方法成本低廉且较容易实现，同时还可以制备稳定的石墨烯悬浮液。首先氧化-还原法将天然磷状石墨与强酸和强氧化物质反应制备氧化石墨，再经过超声分散制得氧化石墨烯(GO)，然后通过各种方法去除氧化石墨表面的含氧官能团，从而得到石墨烯。

    目前，常用的还原方法有热处理法，电化学还原法以及化学还原法。但是氧化-还原法也存在一些无法避免的缺点，即制备的石墨烯存在一定的缺陷，如五元环、七元环等拓扑缺陷或存在少量没还原的含氧官能团，这些将导致石墨烯的一些物理，化学性能的损失，这使石墨烯的应用，尤其是在电子器件领域的应用受到极大阻碍。

1.4石墨烯的应用 

对于我们社会长期能源和环境安全问题，开发有效清洁能源技术已经是刻不容缓的任务。而石墨烯因其新兴的物理化学特性被广泛地应用于能源传输技术的开发上。例如，石墨烯由于其单原子层二维结构，优异的电学、光学、力学性能，可作为太阳能电池的组成材料，也可作为透明电极窗口层材料，电子受体，空穴收集器等。

石墨烯在超级电容器中也是应用相对广泛的。但纯石墨烯电极只能利用双电层储能机制，电容量有限，所以一般采用石墨烯/金属氧化物复合材料（例如MnO2、NO(OH)2、Co(OH)2、Bi2O3等都可以与石墨烯复合）或者是石墨烯/导电高分子复合材料（例如聚吡咯，聚苯胺等）做为电极使用。