石墨烯复合材料在超级电容器中的研究进展

【引言】碳元素广泛存在于自然界，除了最为人们所熟知的石墨和金刚石外，1985 年发现的富勒烯和1991 年发现的碳纳米管扩大了碳材料的家族。也使人们对碳元素的多样性有了更深刻的认识。同时，富勒烯和碳纳米管所引发的纳米科技对人类社的发展在未来有着极其重大的意义。作为碳材料中最新的一员—石墨烯是拥有sp2 杂化轨道的二维碳原子晶体，由英国曼彻斯特大学的Geim 等[1]于2004年发现，并能稳定存在，这是目前世界上最薄的材料—单原子厚度的材料。石墨烯不仅有优异的电学性能（室温下电子迁移率可达200000 cm2V-1s-1）[2]，质量轻，导热性好（5000 Wm-1K-1）[3]，比表面积大（2630 m2g-1）[4]，它的杨氏模量（1100 GPa）和断裂强度（125GPa）[5]也可与碳纳米管相媲美，而且还具有一些独特的性能，如量子霍尔效应、量子隧穿效应[6]等。由于以上独特的纳米结构和优异的性能，石墨烯可应用于许多的先进材料与器件中，如薄膜材料[7]、储能材料[4]、液晶材料[8]、机械谐振器[9]等。石墨烯是单层石墨，原料易得，所以价格便宜，不像碳纳米管那样价格昂贵，因此石墨烯有望代替碳纳米管成为聚合物基碳纳米复合材料的优质填料。在石墨烯诸多性质中，其中比表面积高和导电性好，最重要的是石墨烯本身的电容为21μF/cm2，达到了所有碳基双电层电容器的上限，这比其他碳材料都要高，是制造超级电容器的理想材料。