引 言
2004年英国曼彻斯特大学的科手机回收系统学家利用胶带剥离高定向热解石墨（ＨＯＰＧ）获得了独立存在的高质量石墨烯并提出了表征石墨烯的光学方法，对其电学性能进行了系统研究发现石墨烯具有很高的载流子浓度、迁移率和亚微米尺度的弹道输运特性，从而掀起了石墨烯研究的热潮。石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状结构，是构成其他维数碳材料的基本结构单元。石墨烯可以包覆成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨。由于独特的二维结541舰构特征和极佳的晶体学质量，石墨烯的载流子表现出类似于光子的行为，为研究相对论量子力学现象提供了理想的实验平台此外石墨烯还具有优异的电学、光学、热学、力学等特性。 石墨烯具有优良的电学性能，可以使用于电极上，国内外研究出了许多的在显示领域与能源领域使用的方案。对这些方案进行了整理，做出调研报告。
第一章 绪论
石墨烯是碳的一种单质，与金刚石、石墨等同为碳的同素异形体。石墨烯具有完美的二维结构，2004年之前的研究普遍认为，由于热力学涨落，二维晶体在有限温度下不可能自由存在，但2004年，英国Manchester大学的两位科学家AndreGeim和KonstantinNovoselov采用普通胶带从高温裂解石墨上反复剥离第一次获得了石墨烯,打破了“二维晶体在有限温度下不可能自由存在”的论断，两人因此获得了2010年诺贝尔物理学奖，从此揭开了石墨烯研究的热潮。2004年之后,关于石墨烯的研究报道如雨后春笋般涌现,在Science、Nature上相关报道就有400余篇。石墨烯具有良好的电学、力学、热学及光学特性。石墨烯的载流子可以是电子也可以是空穴，其迁移率可高达1×105cm2V-1s-1，任何一种金属材料都达不到这么高的迁移率，而且其载流子的速度高于其他所有材料，高达106m/s，为光速的1/3000。石墨烯是人类已知强度最高的物质，比金刚石还要坚硬。石墨烯具有极高的弹性模量，高达1.1TPa,同时它还是一种超轻材料。除具备良好的电学、力学、热学性能以外，石墨烯还具有良好的光学性能，单层石墨烯的透光率可达97.7%，五层石墨烯样品的透光
率可达90%。由于具备以上优秀的性能，石墨烯薄膜被广泛作为电极材料应用于各个领域。石墨烯电极在锂电池上的应用为了提高锂离子电池的能量密度等性能，人们研究了纳米材料，包括石墨烯及其复合材料。石墨烯作为负极材料、混合负极材料组分、活性物质载体、电极添加剂和集流体修饰对提升锂离子电池的综合性能具有很大的优势。 金牌班长1.在锂电池中的应用
一、石墨烯作为负极活性物质的应用
石墨是常见的锂离子电池负极材料，每个六边形只能与一个锂离子结合形成LiC6，其理论比容量为372mAh/g。而对于单层石墨烯来说，Dahn等人在1995年最早提出锂离子与石墨烯的结合可以发生在上下两面形成Li2C小雪花的泪6，故其比容量是石墨的两倍，约为744mAh/g。还有人认为，在苯环的共价点也可能存在共价吸附形成LiC2，比容量则有1112mAh/g。
二、石墨烯在混合电极材料中的应用
石墨烯可以作为辅助材料与其他电极活性材料复合，提升电极材料的综合性能。如过渡金属氧化物、硅等材料俘获锂离子能力能力较强，但是充放电过程中体积会发生巨大变化，
使得材料容易扭曲和破裂。若用石墨烯对过渡金属氧化物纳米颗粒进行包裹，或者以石墨烯为载体将活性物质的纳米颗粒附着在其表面，作为隔离和缓冲层，不仅能防止活性物质之间的团聚还能减少扭曲和破裂的发生，进一步可以提高电池的循环性能；另外，由于石墨烯优异的导电性，从另一方可以弥补过渡金属氧化物导电性差的缺陷，提高电极的整体导电性，从而改善了电池的综合性能。
三、石墨烯作为电极添加剂的应用
石墨烯由于其本身的晶化程度更高，导电性远远高于炭黑、乙炔黑等传统导电材料，用石墨烯作为电极添加剂，更高效地增加电极的导电性，提高电池容量、倍率和循环性能等。Wang等人发现纳米结构的TiO2／石墨烯复合材料要比纯TiO2更容易嵌入和脱出锂离子，这是石墨烯的加入增加了电极的导电性引起的。Choi等人将TiO2／石墨烯添加到磷酸铁锂正极材料中，电池的比容量和循环性能都得到了提升，而且经过700次循环后导电性没有任何衰退，
图1-1 TiO2／石墨烯基磷酸铁锂电池在1C倍率下的循环容量和库伦充放电效率
2.石墨烯电极在OLED技术上的应用
在作为制备OLED电极方面，石墨烯的电学性能和光学性能也是其他电极材料不可媲美的。电学上，其电阻率只有10-6Ω·cm，被公认为是世界上导电率最小的材料。在碳纳米材料中石墨烯中由于π轨道的存在，导电电子不仅可以在晶格中无障碍的移动而且速度极快，电子迁移率超过了15000cm2/V·s达到了光速的1/300。在光学方面，石墨烯的光学透
过率可达到97%以上，几乎完全透明。不仅如此，石墨烯作为OLED电极还有另一大优势，那就是其非常稳定的碳原子排列结构。每个碳原子与其他三个碳原子相连，碳碳键仅为1.42Å，在石墨烯受到外力作用时，这种由碳原子和其共价键形成的柔韧的原子尺寸网并不会发生断裂，而是通过弯曲形变的方式来释放外来应力达到稳定状态，避免了碳结构的重新排列，也就铸就了石墨烯柔韧的机械性能使得石墨烯可沿不同方向弯曲折叠。超薄结构的石墨烯以其在光学和电学性能近乎完美性能特点无疑的成为可以替代OLED电极ITO最有潜力的材料之一。并且在发展柔性可弯曲OLED设备上起到了举足轻重的作用。
石墨烯卓越的导电性能、几乎完全透明的高通过率及其碳原子链十分柔韧的特点让石墨烯在透明柔性导电薄膜中独具优势。近年来石墨烯也为柔性显示面板、柔性触摸显示屏添砖加瓦。自石墨烯被发现以来，石墨烯以其众多性能的优势其产出的产品越来越多，不仅仅是石墨烯柔性手机、石墨烯柔性电子书等。
3.石墨烯电极在催化环节的应用
光催化是指各种催化剂在光的作用下进行的复杂的化学反应过程。1972年，日本人Fujishima等人研究发现了光催化裂解水的反应，引起了众多科研工作者对于光催化的高度
关注。随后很长一段时间内光催化的主要研究热点聚焦在氧化锌和二氧化钛，主要是由于其稳定性好、无毒害作用、颗粒细小、降解能力强，但是它也有一定的缺点，那就是禁带较宽(锐钛矿型的TiO2带隙约为3.2eV)，只能在波长较短(λ<387nm)的紫外光波段(仅占太阳光总能量的5%)被激发，对于太阳光中比例比较大(约占太阳光总能量的43%)的可见光不起作用；而且由于光生电子-空穴对比较容易复合，导致其催化效率下降；此外纳米粒子易团聚的缺陷也一定程度上限制了其实际的应用。近些年，研究者也研究了金属氧化物、石墨态C3N4、过渡金属含氧酸盐等一些新型的光催化剂的催化性能。为了改善其光催化性能，研究者一般会采用半导体材料耦合、光电阻敏化、贵重金属进行掺杂、复合纳米材料等各种方法。
光纤通信基本原理石墨烯(Graphene)是一种新兴的具有优异性质的二维材料，一经发现就获得了研究者普遍的关注。作为一种广泛使用的零带隙半导体材料，石墨烯材料具有超高的比表面积，导电导热性能良好，电子的传递和转移能力极强，是一种极好的光催化剂载体材料，广泛应用于多相光催化过程(包括均质催化和非均质催化)中。此外，通过在石墨烯溶液中掺杂各种金属氧化物(如Cu2连云港核废料处理O)和纳米金属离子(如Ag、Au纳米离子)等成分组成复合光催化剂，二者相辅相成、协同作用，有效地实现了对有机污染物的催化降解。石墨烯基材料性能的提高
是由于石墨烯，石墨烯超大的比表面积使其可以吸附更多的各种有机污染物；此外，石墨烯的化学结构独特，室温下具有目前最高的电子迁移速度，而且其表面的大π共轭结构可在一定程度上作为电子受体，供光生电子不断进行转移和传递，从而有效地抑制光生电子空穴对的复合湮灭过程；最重要的是，通过控制制备和还原过程中氧化程度的不同，可以获得不同禁带宽度的石墨烯材料，而且可以进一步扩展其光谱响应范围到可见光波段，能量利用率得到了质的提高。另外，石墨烯的力、热、光、电性能稳定不变，即使经过长时间使用，其仍然可以有效改善催化剂寿命。
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