韩国庆熙大学Soo-Jin Park综述：面向可持续能源应用的石墨烯材料

研究背景

在全球气候危机与低碳经济转型的双重驱动下，RE100（100%可再生能源倡议）与CF100（100%无碳电力倡议）已成为引领企业能源战略的核心框架。自2004年Geim与Novoselov首次通过机械剥离法从石墨中分离出石墨烯并荣获2010年诺贝尔奖以来，这一单原子层二维碳材料以其颠覆性的物理化学性质，成为支撑环境、社会与治理（ESG）实践的关键纳米材料。其本征载流子迁移率高达250,000 cm² V^-1 s^-1、热导率达5300 W m^-1 K^-1、理论比表面积达2630 m² g^-1、拉伸强度约130 GPa，且对可见光具备97%的透光率，使其在储能、转换与能源收集领域展现出不可替代的应用潜力。

成果介绍

韩国庆熙大学Soo-Jin Park等人系统梳理了石墨烯及其衍生物——包括氧化石墨烯（GO）、还原氧化石墨烯（rGO）与石墨烯量子点（GQDs）——的晶体结构与电子性质，并与石墨、碳纳米管及富勒烯进行了横向对比。文章详尽总结了自上而下（机械剥离、液相剥离、电化学剥离、氧化还原法）与自下而上（化学气相沉积CVD、外延生长、激光辅助合成）两大制备范式，重点评述了闪速焦耳加热（FJH）、等离子体合成与激光辅助合成等前沿技术的最新进展。在工程化层面，论文深入探讨了CVD大面积薄膜生长、湿法/干法/卷对卷转移技术及界面掺杂与杂化策略对器件性能的决定性作用。在应用层面，作者按能源存储（锂离子电池、锂硫电池、钠/钾离子电池、超级电容器与储氢）、能源转换（燃料电池、太阳能电池、热电材料）与能源收集（摩擦纳米发电机与废热回收）三大板块，全面解析了石墨烯如何通过结构设计与界面工程提升能量密度、功率密度及转换效率。该成果以“Graphene Materials for Sustainable Energy Applications: A Contemporary Perspective”为题发表在Carbon Energy 期刊上。

研究亮点

1.全谱系合成技术对比。文章不仅分析了传统CVD与液相剥离的工业化瓶颈，更突出FJH技术可无溶剂、在毫秒级时间内将煤炭、塑料固废等转化为高品质闪速石墨烯（FG）的独特优势；同时介绍了等离子体法可在常压下以芒果皮等生物质为碳源直接生长石墨烯的绿色潜力，以及激光辅助法在图案化微超级电容器中的快速成型能力。

2.转移与界面工程优化。针对CVD石墨烯向功能基底转移过程中易产生的褶皱、裂纹与污染问题，综述对比了PMMA辅助、金属辅助及无转移策略，并强调通过N/O/S等杂原子掺杂与化学功能化调控金属-石墨烯、聚合物-石墨烯界面，可显著降低接触电阻并增强器件稳定性。

3.跨能源领域的性能突破。在储能端，石墨烯基电极通过抑制活性颗粒团聚与缓冲体积膨胀，显著提升了电池的循环寿命与倍率性能；激光诱导石墨烯（LIG）纤维电极在柔性超级电容器中实现了高达1387.6 mF cm^-2的面积比电容。在转换端，氟化石墨烯作为钙钛矿太阳能电池的界面层，使光电转换效率达到21.9%并显著改善湿热稳定性；在质子交换膜燃料电池中，石墨烯作为双极板防护层与Pt催化剂载体，有效抑制了腐蚀与碳中毒。在收集端，通过缺陷工程调控石墨烯功函数，使摩擦纳米发电机输出电压提升至190 V；在废热回收领域，石墨烯纳米流体将相变材料热导率提高53.1%，并将热交换器热阻降低67%。

4.产业价值链透视。基于Web of Science数据，文章展示了2012–2023年间石墨烯能源应用论文量的指数级增长，并绘制了涵盖原材料、制备设备、导电添加剂、电极材料到终端应用（如Samsung、LG、华为、CRRC等）的完整产业链图谱。

图文解析

FIGURE 1 | Promising prospects of graphene’s role in sustainable energy solutions and its nexus with RE100 and CF100.

FIGURE 2 | Chronological overview of key developments in graphene preparation following the isolation of graphene in 2004 (Gr represents graphene).

FIGURE 3 | Graphene synthesis methods, with their advantages and limitations.

FIGURE 4 | Various graphene transfer methods, with their advantages and challenges.

FIGURE 5 | Trajectory of scientific publications concerning graphene‐based materials for energy applications, spanning from 2012 to 2023, sourced from the Web of Science database search.

FIGURE 6 | Battery applications of graphene materials.

FIGURE 7 | Legend on next page.

FIGURE 8 | Several graphene‐based materials for hydrogen storage application.

FIGURE 9 | Utilizing graphene and its derivatives in fuel cell technology.

FIGURE 10 | Utilizing graphene‐based materials in solar cell applications.

FIGURE 11 | Legend on next page.

FIGURE 12 | Utilizing graphene‐based materials in triboelectric nanogenerators (TENGs).

FIGURE 13 | Legend on next page.

FIGURE 14 | Industrial potential utilization: Integration of graphene in energy applications.

FIGURE 15 | Value chains and leading players in the graphene industry.

研究小结

石墨烯在可持续能源领域展现出变革性潜力，但其工业化仍受限于规模化生产的质量一致性、成本效益及环境足迹。传统CVD与化学氧化还原法的碳足迹可高达620 g CO₂ eq/g，而基于生物质废料的FJH技术可将该值降至1.91 g CO₂ eq/g，降幅超99%，为绿色制造提供了可行路径。未来研究需聚焦于：开发兼具原子级精度与工业吞吐量的新型合成策略；通过杂原子掺杂与过渡金属硫化物（TMDs）、MXenes等二维材料杂化，进一步调控能带结构与界面电荷传输；提升器件在极端温度与湿度下的长期稳定性；建立全生命周期评估（LCA）与回收再利用体系。随着全球石墨烯市场预计以超过20%的复合年增长率持续扩张，学术界与产业界的协同创新将加速石墨烯在RE100与CF100目标下的规模化部署，推动全球能源结构向低碳、高效、可持续方向深度转型。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy。

论文标题：Graphene Materials for Sustainable Energy Applications: A Contemporary Perspective

文章研究方向：石墨烯

论文网址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70010

DOI: 10.1002/cey2.70010