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| 內容簡介： |
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。
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| 目錄：
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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 AFM12
1.3.2 SEM14
1.3.3 TEMSEADEELS14
1.3.4 XPS17
1.3.5 XRD17
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 EDLC109
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H2O229
8.4.3 光催化还原CO2 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 电池的先进电催化剂 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 DMFC271
11.2.3 DFAFC273
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 MFC297
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MFC302
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 GO312
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 ZnO325
14.3.2 石墨烯SWCNT326
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
16.4 石墨烯作为阴极电催化剂365
16.4.1 N掺杂石墨烯366
16.4.2 B、P、S和Se掺杂的 石墨烯366
16.5 结论367
致谢368
参考文献368
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| 內容試閱：
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原书前言
石墨烯是纳米级的神奇材料，是材料科学研究中最热门的领域之一。由曼彻斯特大学的两名俄罗斯科学家Andrei Geim和Kostya Novoselov于2004年发现，石墨烯革命性的物理特性为这两位科学家赢得了2010年诺贝尔物理学奖。从那时起，大量的努力付诸于实现石墨烯作为能源材料的充分利用，并且当前在开发高效能量转换和存储装置方面已经实现了巨大的进步。在这方面，本书旨在概述能量转换和 存储领域的最新研究进展。来自各个领域的研究人员，包括物理学、化学、材料科学、生物学和工程学，根据他们在这些领域的研究专长，编写了本书。本书分为两个方面，即基础知识和应用。
在基础章节（第1章）中，读者将 了解石墨烯的基础知识和重要性能，然后介绍其合成。在合成部分，讨论了机械剥 离，该方法是从高度有序的热解石墨中获得石墨烯的最简单方法之一。此外，该章还讨论了外延生长、化学气相沉积和溶液处理，包括超声波、插层和化学剥离。第1章还涉及各种表征方法，如原子力显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、X射线衍射、拉曼光谱和光致发光。最后，该章讨论了石墨烯的光学性质以及石墨烯的一些光电应用。
本书的第2部分，大部分内容可分为两个不同的领域，即基于石墨烯的能量存储和基于石墨烯的能量转换。基于石墨烯的储能装置包括锂离子电池、超级电容 器、光化学水分解装置、光催化装置和储氢装置。该部分还介绍了燃料电池、微生物燃料电池、酶促生物燃料电池、聚合物太阳电池和敏化剂。
本书的第2部分从锂离子电池有关的章节组合开始，即第2章和第3章。
第2章介绍了锂离子电池的一些基本工作原理，石墨烯作为锂离子电池正极和负极材料的应用，以及石墨烯基柔性正极和负极材料的用。第3章为石墨烯用于超级电容器、锂硫电池、燃料电池和太阳电池提供了一些额外的讨论。
第4章、第5章和第6章专门介绍了高性能石墨烯超级电容器。从双电层电容器开始，第4章主要为我们提供了一个新的方面，其中就石墨烯金属氧化物纳 米复合材料和石墨烯导电聚合物复合材料作为超级电容器的主要电极材料进行了深入的讨论。第5章从石墨烯的一些合成路线开始，包括自上而下和自下而上的方法，并讨论了石墨烯金属氧化物导电聚合物纳米复合材料超级电容器.第6章与第4章和第5章不同，因为它涉及电容器和电化学电容器的基本原理。此外，该章还介绍了基于双层电容的电容器，该电容器由石墨烯基的电极组成，石墨烯通过还原氧化石墨烯、活化的石墨烯、石墨烯和碳纳米结构复合物以及氮掺杂的石墨烯合成。该章还详细讨论了基于石墨烯赝电容材料复合物和基于石墨烯的不对称超级电容器的电极。最后，第6章讨论了基于石墨烯的微型电容器。
第7章涉及水分解，这是一种储能机制。该章首先介绍了太阳能驱动水分解装置的基本构建模块，并讨论了石墨烯在这类器件中的应用前景。它还介绍了石墨烯与各种半导体的组合，用于集成光化学电池。原石墨的高度氧化和剥离产品为石墨烯基混合光催化体系的开发提供了极大的便利。该章还涉及石墨烯基电解槽装 置，它将太阳光转化为电能，为电解水提供必要的电压。一些好的结论和观点最终在该章最后介绍。
第8章和第9章主要关注石墨烯的光催化作用。第8章的第一部分涉及石墨烯和氧化石墨烯的合成机理及其性质。此外，还讨论了基于石墨烯的半导体光催化剂，其使用单个二氧化钛（金红石）晶体作为光电阳极，并且使用铂作为反电极。该章最后讨论了各种光催化应用，如有机污染物的光降解、H2O的光催化分解、光催化还原CO2和其他应用。第9章从石墨烯基光催化剂的合成方法开始，包括异位杂化和原位生长策略。在后一种情况下，水热法被认为是合成无机纳米晶体有力且通用的工具。最近，电化学和电泳沉积已经引起了极大的关注，因为它们不需要复合材料的任何合成后转移的过程。例如，已经成功地将恒定电流应用于还原氧化石墨烯上种植纳米颗粒，随后在恒定电位模式下生长纳米颗粒。此后讨论了化学气相沉积和光化学反应。该章最后讨论了能源应用、光催化析氢、光催化还原二氧化碳和环境修复。
第10章涉及基于石墨烯的储氢，它由低温液体、高压气体电池、低温吸附物、金属氢化物和化学存储组成。此外，该章还讨论了分子氢和石墨烯基金属金属氧化物纳米颗粒的存储，这些纳米颗粒最近引起了人们对储氢的关注。此外，为了显著提高它们的氢结合能力，该章详细讨论了掺杂有诸如硼、铝、硅或氮等元素的石墨烯。该章最后讨论了基于氢溢出的原子氢存储。
本书的最后一部分主要关注燃料电池、微生物燃料电池、酶促生物燃料电池、聚合物太阳电池和敏化剂。第11章的第1部分主要涉及质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、直接甲酸燃料电池和直接醇燃料电池的配置和设计。第2部分讨论石墨烯金属纳米结构已用作电催化剂，包括金属纳米团簇（Au、Ag和Cu）、单金属颗粒和合金纳米颗粒、核-壳纳米结构、中空纳米结构、立方纳米结构、纳米线和纳米棒、花状纳米结构、纳米枝晶和二维或三维纳米结构。
第12章和第13章主要关注微生物燃料电池中石墨烯的应用。第12章讨论了微生物燃料电池的基本工作原理，它们的一些优点以及分类。接下来介绍了微生物 燃料电池的历史和未来前景。最后，该章讨论了基于石墨烯的微生物燃料电池的各个方面，如阳极、膜和阴极。第13章涉及微生物燃料电池中电极性能的改善。它以石墨烯及其衍生物如纳米片、三维石墨烯和氧化石墨烯作为阳极开始。然后讨论了石墨烯材料作为阴极电极，其包括裸石墨烯、涂覆的石墨烯和掺杂的石墨烯。最后，该章以一些积极的前景和对石墨烯微生物燃料电池未来改进的详细讨论结束。
第14章介绍了另一种燃料电池，即酶促生物燃料电池。该章相当简短，因为该领域的研究刚刚开始。该章的第1部分涉及无膜酶促生物燃料电池，第2部分讨论了改性的阳极和阴极。这些包括电化学还原氧化石墨烯和石墨烯-单壁碳纳米管。
第15章讨论了石墨烯在太阳电池中的各种应用。如今，石墨烯已成功用于有 机太阳电池中作为阳极、空穴和电子界面层，以及顶部电极。该章还涉及更换目前使用的透明电极氧化铟锡（ITO）的可能性，还讨论了使用石墨烯作为串联太阳电 池中的中间层。
第16章最后讨论石墨烯作为存储集流体及阳极和阴极集流体的敏化剂。此外，该章还涉及染料敏化太阳电池中光电阳极添加剂的领域。最后，该章介绍了石墨烯作为阴极电催化剂，其中包括氮、硼、磷、硫和硒掺杂的石墨烯。
本书汇集了各种来源的材料，包括作者以前发表的文章、最新的实验和讲义。本书中的所有材料都经过组织和审核，现在以一致且更易读的方式呈现，因为它们已经过非常彻底的审核和重新制定。编写并同时编辑基于石墨烯的能量转换和存储设备的书籍是一件非常愉快的事情。对我来说，本书是一种爱的劳动成果，并且沿着一个统一的主题编写内容的冒险本身是一个丰富的经历和充分的回报。我希望所有的读者在探索本书的每一页时，都能同样得到很大的收获和理解。最后，我要感 谢我亲爱的妻子Sharifah Nurilyana和我们的家人的支持和理解。感谢我的学生、同事，特别是我的导师Jin Jang，他们提供了富有成效的讨论和帮助。
A.Rashid bin Mohd Yusoff 首尔2014.10.23
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