石墨烯量子点:兼具高效和环保的新型超级电容器电极材料

裴贺兵¹，莫尊理^1,2，郭瑞斌^1,2，刘妮娟¹，贾倩倩¹，高琴琴¹

1. 西北师范大学化学化工学院2. 甘肃省军民融合先进结构材料研究中心

摘 要：石墨烯量子点(Graphene quantum dots,GQDs)自2008年首次被科学家发现以来,其制备方法和应用研究一直广受关注。随着科学技术的快速发展,人们对碳材料的研究从一开始的三维石墨、二维石墨烯,到一维碳纳米管,再到现在的准零维石墨烯量子点,经历了一个相对漫长的过程。石墨烯量子点具有特殊的物理和化学性质,比如量子限域效应、边缘效应、生物相容性、光致发光和电致发光等,使其在能量转换和存储、光电催化、荧光传感器、载药、生物成像和治疗诊断中的应用受到越来越多的关注。超级电容器是一种常见的储能装置,以充放电时间快、功率密度大和使用温度范围宽著称。基于碳材料的双电层电容和基于过渡金属氧化物、导电聚合物的法拉第赝电容材料是目前研究的热点问题,而石墨烯量子点作为碳材料家族的新秀,已经被应用在超级电容器电极材料中,或为单体材料,或与其他纳米材料复合,都表现出优异的性能。石墨烯量子点的主要制备方法有"自上而下"和"自下而上"两种。其中,"自上而下"法是将大尺寸的石墨烯及其他碳材料切割成小尺寸的量子点,而"自下而上"是以分子为前体,在一定条件下合成量子点。为了发挥石墨烯量子点和其他碳材料、过渡金属氧化物、导电聚合物等之间的协同作用,通过一步或者两步反应合成了石墨烯量子点与三维石墨烯、碳纳米管、活性炭、二氧化锰、二氧化铈、钴酸镍、聚苯胺等物质的纳米复合材料,其电化学性能优于单体材料,在很大程度上提高了超级电容器的整体性能。本文归纳了石墨烯量子点在超级电容器电极材料中的应用研究进展,分别对石墨烯量子点的制备方法、石墨烯量子点及其纳米复合材料作为超级电容器电极材料进行了介绍,为制备比电容高、能量密度高、循环稳定性优异和环境友好的新型超级电容器提供参考。

关键词：石墨烯量子点;超级电容器;电极材料;纳米复合材料;