石墨烯基能源器件

Graphene-based Energy Devices ［韩］A.拉希德·本·莫赫德·尤索夫 （A.Rashid bin Mohd Yusoff） 主编 张强强 何平鸽 徐翔 王玉 译机械工业出版社 本书系统地介绍了石墨烯在能源器件领域的应用，有效地将学术研究与 工业生产联系起来。本书不仅综述了石墨烯材料相关的主要合成技术、表征方法和物理化学性能，同时也系统地讨论了石墨烯在锂离子电池、超级电容 器、储氢等储能领域的发展现状。此外，本书还包含了传统的产能器件、新 型的微生物和酶促燃料电池等石墨烯基能源器件，以及进一步综述了石墨烯 光伏发电的原理及应用。全书不仅从实验室尺度探讨了器件架构，同时从工 业生产流程以及质量控制的层面深入阐释了石墨烯基能源器件的发展进程。 本书内容全面系统，机理解释客观合理，理论分析深入，是一本学习石墨烯 基功能材料在能源领域应用研究的经典著作。 本书适合材料科学、物理化学、电化学、固态物理学以及电工行业的科 研工作者和技术人员阅读参考。

A. Rashid bin Mohd Yusoff自2012年起担任韩国庆熙大学的教授。他是韩国和日本开发高效率有机光伏联合项目的团队负责人，并被任命为韩国庆熙大学和美国辛辛那提大学的DNA有源矩阵有机发光二极管（OLED）的OLED研发活动的团队负责人。他的研究方向包括有机半导体薄膜的电子特性、电荷传输特性、器件物理、基于有机和无机的发光器件、有机光伏和有机晶体管。

目 录 译者序 原书前言 第1章 石墨烯的基础原理 1 1.1 引言 1 1.2 石墨烯的制备 3 1.2.1 机械剥离法 3 1.2.2 外延生长 3 1.2.3 CVD生长石墨烯 4 1.2.4 溶液法制备石墨烯 5 1.2.5 基于氧化石墨烯的复合材料 7 1.3 石墨烯的表征 12 1.3.1 AFM 12 1.3.2 SEM 14 1.3.3 TEM/SEAD/EELS 14 1.3.4 XPS 17 1.3.5 XRD 17 1.3.6 拉曼光谱 19 1.3.7 PL测试 20 1.4 石墨烯的光学性质改性 21 1.4.1 石墨烯（太赫兹，紫外-可见光- 近红外光谱）的吸收性能改性 21 1.4.2 石墨烯PL性质的改性 25 1.5 石墨烯的光电应用 33 参考文献 38 第2章 基于石墨烯的锂离子 电池电极 42 2.1 引言 42 2.2 LIB的工作原理 42 2.3 基于石墨烯的LIB正极材料 44 2.4 基于石墨烯的LIB负极材料 46 2.4.1 基于石墨烯的LIB负极 46 2.4.2 石墨烯基复合材料LIB 负极 48 2.5 二维柔性和不含黏合剂的 石墨烯基电极 57 2.5.1 基于石墨烯基的柔性LIB 负极材料 58 2.5.2 基于石墨烯的柔性LIB 正极材料 63 2.6 三维宏观石墨烯基电极 64 2.7 总结和展望 66 参考文献 68 第3章 基于石墨烯的储能装置 74 3.1 引言 74 3.2 石墨烯用于锂离子电池 74 3.2.1 负极材料 74 3.2.2 正极材料 88 3.3 石墨烯用于超级电容器 96 3.4 石墨烯用于锂硫电池 99 3.5 石墨烯用于燃料电池 101 3.6 石墨烯用于太阳电池 102 3.7 总结 104 参考文献 104 第4章 基于石墨烯纳米复合材料的 超级电容器 108 4.1 引言 108 4.2 基于石墨烯的超级电容器 109 4.2.1 EDLC 109 4.2.2 石墨烯/金属氧化物 纳米复合材料 112 4.2.3 石墨烯/导电聚合物 复合材料 114 4.2.4 原子层沉积技术制备石墨烯/金属 氧化物纳米复合材料 119 4.3 问题和展望 119 参考文献 121 第5章 基于新型石墨烯复合材料的 高性能超级电容器 127 5.1 引言 127 5.2 石墨烯的制备方法 129 5.2.1 “自上而下”的制备方法 130 5.2.2 “自下而上”的制备方法 131 5.3 基于石墨烯的超级电容器电极 132 5.3.1 石墨烯 132 5.3.2 石墨烯基复合材料 133 5.4 结论和展望 144 参考文献 144 第6章 石墨烯应用于超级 电容器 149 6.1 引言 149 6.1.1 电化学电容器 150 6.1.2 石墨烯作为超级 电容器材料 152 6.2 用于石墨烯基电容器的 电极材料 153 6.2.1 基于双层电容的石墨烯 电极材料 153 6.2.2 石墨烯/赝电容复合 电极材料 159 6.3 基于石墨烯的不对称超级 电容器 167 6.3.1 基于石墨烯和赝电容材料的 非对称电容器 168 6.3.2 石墨烯基锂离子电容器 172 6.4 石墨烯基微型超级电容器 174 6.5 总结和展望 177 致谢 178 参考文献 178 第7章 基于石墨烯的太阳能驱动 水分解装置 187 7.1 引言 187 7.2 太阳能驱动水分解装置的 基本结构 188 7.3 石墨烯在太阳能驱动水分 解装置中的前景 188 7.4 基于石墨烯的集成光电 化学电池 190 7.5 基于石墨烯的混合胶体 光催化体系 197 7.6 基于石墨烯的光伏/电解器件 206 7.7 结论和观点 210 参考文献 210 第8章 石墨烯衍生物在光催化 中的应用 218 8.1 引言 218 8.2 氧化石墨烯和还原氧化石墨烯 219 8.2.1 制备 219 8.2.2 性能 220 8.3 石墨烯基半导体光催化剂的 合成 222 8.3.1 混合法 223 8.3.2 溶胶-凝胶工艺 223 8.3.3 水热和溶剂热法 224 8.4 光催化应用 225 8.4.1 有机污染物的光降解 225 8.4.2 光催化分解H 2 O 229 8.4.3 光催化还原CO 2 231 8.4.4 其他应用:染料敏化太阳 电池 232 8.5 结论和展望 233 致谢 234 参考文献 234 第9章 石墨烯基光催化剂在能源领 域的应用:进展和未来 前景 243 9.1 引言 243 9.1.1 石墨烯基光催化剂的合成 244 9.1.2 异位杂化策略 244 9.1.3 原位生长策略 245 9.2 能源应用 248 9.2.1 光催化氢气的释放 248 9.2.2 光催化还原二氧化碳 250 9.2.3 环境修复 251 9.3 结论和展望 252参考文献 252 第10章 石墨烯基储氢装置 259 10.1 引言 259 10.2 分子氢的存储 260 10.2.1 石墨烯基金属/金属氧化物 263 10.2.2 掺杂石墨烯 263 10.3 基于氢溢流的原子氢存储 264 参考文献 266 第11章 可控尺寸和形状石墨烯支撑的 金属纳米结构用于燃料 电池的优选电催化剂 269 11.1 引言 269 11.2 燃料电池 270 11.2.1 PEMFC的配置和设计 270 11.2.2 DMFC 271 11.2.3 DFAFC 273 11.2.4 DAFC和生物燃料电池 274 11.3 石墨烯基金属纳米结构作为燃料 电池的电催化剂 274 11.3.1 石墨烯支撑的金属 纳米团簇 275 11.3.2 石墨烯支撑的单金属和合金 金属纳米颗粒 277 11.3.3 石墨烯支撑的核-壳纳米 结构 280 11.3.4 石墨烯支撑的中空 纳米结构 282 11.3.5 石墨烯支撑的立方纳米 结构 283 11.3.6 石墨烯支撑的纳米线和 纳米棒 286 11.3.7 石墨烯支撑的花状 纳米结构 287 11.3.8 石墨烯支撑的纳米枝晶 289 11.3.9 其他石墨烯支撑的二维或 三维纳米结构 289 11.4 结论 291 致谢 291 参考文献 292 第12章 石墨烯微生物 燃料电池 296 12.1 引言 296 12.2 MFC 297 12.2.1 MFC的工作原理 297 12.2.2 MFC的优势 297 12.2.3 MFC的分类 298 12.3 MFC的发展历史 300 12.4 MFC的应用前景 300 12.4.1 微型电池嵌入身体 301 12.4.2 移动电源 301 12.4.3 光合作用产生电力 301 12.4.4 生物传感器 301 12.4.5 偏远地区或公海的 电力供应 301 12.4.6 有机废水处理 301 12.5 MFC中存在的问题 302 12.6 基于石墨烯的MFC 302 12.6.1 阳极 302 12.6.2 膜 303 12.6.3 阴极 303 参考文献 304 第13章 石墨烯基材料在改善微生物 燃料电池电极性能中的 应用 308 13.1 引言 308 13.2 MFC中阳极电极的 石墨烯材料 309 13.2.1 石墨烯纳米片 309 13.2.2 三维石墨烯 311 13.2.3 GO 312 13.3 用于MFC中阴极电极的 石墨烯材料 313 13.3.1 裸石墨烯 314 13.3.2 用石墨烯作为掺杂剂的 聚合物涂层 314 13.3.3 用石墨烯作为支撑物的 金属涂层 315 13.3.4 氮掺杂石墨烯 316 13.4 展望 317 参考文献 318 第14章 石墨烯及其衍生物在 酶促生物燃料电池中的 应用 322 14.1 引言 322 14.2 无膜酶促生物燃料电池 323 14.3 改性生物阳极和生物阴极 325 14.3.1 电化学还原的GO和MWCNT/ ZnO 325 14.3.2 石墨烯/SWCNT 326 14.4 结论 327 致谢 327 参考文献 327 第15章 石墨烯及其衍生物用于 高效有机光伏 329 15.1 引言 329 15.2 太阳电池中的各种应用 329 15.2.1 导电电极 329 15.2.2 活动层 336 15.2.3 电荷传输层 339 15.2.4 电子传输层 346 15.3 结论 350 致谢 350 参考文献 350 第16章 石墨烯作为敏化剂 355 16.1 石墨烯作为敏化剂 355 16.2 石墨烯作为存储集流体 357 16.2.1 阳极集流体 358 16.2.2 阴极集流体 359 16.3 石墨烯作为光电阳极添加剂 361 16.3.1 DSSC应用程序 361 16.3.2 OPV应用 362 16.3.3 锂离子电池 363 16.3.4 传感器应用 363 16.3.5 透明导电薄膜 364 16.3.6 光催化应用 365