石墨烯是一种呈蜂窝状的单原子层碳结构，以其卓越的机械、电学和光学性质吸引了政府、科研机构和企业界的广泛关注，近年来其相关研究获得了大量投入。2013年欧盟制定了石墨烯旗舰计划^[1] ，并作为欧洲未来新兴技术（FET）旗舰之一，投资达10亿欧元。

在该计划框架下，来自英、美、法、德、意、韩等国家50多个研究机构的科学家经过共同探讨，制定了一份《石墨烯、2D晶体和混合系统科学与技术路线图》^[2]。图1从系统、部件和科技三个层面，对石墨烯未来10年在能源领域的研发和应用做出了展望。可见，与石墨烯材料相关的基础科学研究过程集中在未来3年内，而更长远的目标将集中在石墨烯基部件和系统的开发方面。

根据该路线图，石墨烯相关材料（GRMs^[3] ）在能源领域的主要应用包括：开发和制造太阳电池、锂电池和超级电容器、燃料电池、储氢系统的电极或催化剂；或将GRMs与其他材料混合，以增强其性能，或实现轻量化、柔性、透明等特殊性质。基于该路线图，本文总结了能源领域内石墨烯应用的主要优势、技术问题和发展目标。

一、石墨烯用作电池和超级电容器电极材料

石墨烯和过渡金属相关材料被广泛研究应用于电池和电容器中，以制作出超薄、柔性、且机械和热稳定性好的电极材料。石墨烯用作锂离子电池阳极材料添加剂可极大地提高比电容到750 mAh/g，两倍于石墨阳极。石墨烯与过渡金属氧化物的复合材料也可用于电池阴极材料制备柔性薄膜型锂离子电池，石墨烯本身也可取代传统的活性炭材料用作储能系统中透明器件的集流体。石墨烯在电池应用领域的长远目标是研发基于GRMs的新型锂空电池以达到高能量密度（39714 Wh/kg，RGO电极）和高比容量（15000 mAh/g，RGO电极）^[4] ，并发展利用过渡金属相关材料的电极混合系统解决现存的可逆比容量、高温高压下电化学稳定性、以及锂离子插入释放时发生反应等问题。

拥有高比表面积和电导率的石墨烯用于超级电容器电极，可达到超过1200 F/g的比电容和100 A/g的电流密度。2D层状氧化物材料被发现同时具有双电层和赝电容效应，极大地提高了比电容。石墨烯在超级电容器领域的未来方向是有覆层的石墨烯相关材料（包括活性GO）及其相关性能的研发。基于GRMs的新一代超级电容器可应用于：（1）提高电力传输和推进系统运行效率；（2）高效可再生能源及并网的电力电子系统；（3）电力生产系统的有效运转和智能电网；（4）电动汽车推进系统；（5）基于广域网的分布式工业对象的远程监控系统。

二、石墨烯用于燃料电池和储氢

GRMs本身的优良性能为燃料电池和储氢提供了新途径：（1）可作为优良的媒介，将储氢模块嵌入完全基于石墨烯的柔性轻便器件中；（2）可掺入储氢材料中，为实现优化混合存储罐提供更多的方法；（3）亦可作为硫族化物纳米催化剂的载体，制备由可见光驱动的稳定高效的催化剂；（4）在理论上，弯曲褶皱的石墨烯由于其具备的特殊性质还可以用于控制氢的吸收和释放。改性石墨烯可取代常用的贵金属Pt、Au、Ru及其合金用作燃料电池的催化剂并制作出柔性电极，极大降低了燃料电池应用成本，同时掺杂石墨使得相邻碳原子极化，能够提高催化活性。将GO通过化学方法还原的RGO，亦能够为这些器件提供催化剂载体。美国能源部提出良好储能系统需达到5.5%的重量密度和0.04 kg/m³的体积密度^[5] 。开发基于GRMs的新型廉价燃料电池催化剂是未来目标。但目前如何提高燃料电池中碳载体的稳定性，并减少由电池组件和互连的电阻产生的电压降是尚待解决的问题。

图1  石墨烯在能源领域研发与应用展望

三、石墨烯用于太阳电池

由于GRMs优异的机械、电学和光学性能，可在太阳电池中实现透明导体窗的制备，以及防反射、光活性、电荷传输和催化等多种功能。石墨烯可取代稀有的铟锡氧化物透明导电氧化层（ITO）和昂贵的铂以降低成本。溶液中石墨烯纳米薄片可在低于150℃的温度下混入太阳电池的光阳极，显著低于通常电极处理温度。GO分散体可用于本体异质结太阳电池作为电子受体，其效率为3.5%；RGO用作空穴传输层可达到3.98%的光电转换效率，高于柔性材料（3,4-亚乙基）聚苯乙烯磺酸酯（PEDOT:PSS）的3.85%。石墨烯/无机混合层状材料用作染料敏化太阳电池的对电极可达到5.81%的效率。GRMs在发展能源器件方面，有望在提高效率的同时减小尺寸和重量并保持持久稳定的性能。

四、石墨烯热电器件

热电器件可以通过温度梯度将热能转化为电能，是利用废热能的理想方式。通过将石墨烯或碳纳米管等纳米导体与其他薄膜材料混合，可以提升电导率（σ），提高混合材料的热电转换效率。但是，石墨烯同时拥有较高的导热系数（k），这一点不利于提高热电效率。因此，将石墨烯与其他材料混合，从而实现高热电效率的重要挑战是深入了解纳米结构无序网络的热传导物理性质，在提高σ值的同时，保持混合材料具有较低的k值。

利用石墨烯混合材料制作热电器件的可能技术路径，是通过各种纳米结构技术改变石墨烯的热传导行为，例如缺陷工程、同位素工程、改变边缘粗糙度、引入周期性纳米孔洞等。通过将预设计几何形状的石墨烯纳米片，与经过碳同位素修饰的石墨烯相结合，可以将k值降低2个数量级。

五、纳米发电机

纳米发电机可以从环境噪声、电磁辐射等外界环境中收集能量，实现设备的自我供电。单原子层的石墨烯同时具有高刚性、高强度和特殊光电特性，是纳米发电机材料的有力候选者之一。以石墨烯为电极、压电材料为能量转换材料、塑料为衬底的纳米发电机，展现出极好的弯曲性、透明度，并且器件设计简单，与传统的电池制造方式兼容。这种石墨烯基纳米发电机可以在不需要外部供电的情况下实现商业化电子部件（LED等）的自供电。未来石墨烯基能源收集系统的开发将得到进一步发展，特别是在柔性、透明器件应用方面。          

（潘璇 姜山）