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1.1.5 石墨烯的应用
超级电容器又称为电化学电容器或者超大容量电容器，是介于传统的电容器与可充电电池之间的一种新型储能装置。它是一种新型的绿色环保产品，能量密度虽然比电池小，但功率密度和循环寿命比电池大得多，因此超级电容器在移动通讯、航空、航天、电动汽车和国防等方面具有广阔的应用前景。决定超级电容器性能的关键因素之一是电极材料，纳米结构的导电聚合物，如聚苯胺、聚吡咯等，兼具有电容和双电层电容的特性使其具有较高的能量密度，在超级电容器电极材料中得到了广泛的研究。导电聚合物纳米材料通常是绝缘的难熔融粉末状态，且导电聚合物在充放电过程中强度较低、容易塌陷，为了提高其功率密度和使用寿命，各种多孔材料，如多孔碳、多孔四氟膜等，都被用作纳米导电聚合物的载体来制备复合材料。我们知道碳质材料具有比表面积高、导电性良好，在电解液中化学稳定性好、且价格低廉的优点，多年来一直是科学界研究的热点。石墨烯表面富含含氧基团、比表面积高、面内导电性良好且力学性能优异，适宜制备石墨烯-导电聚合物复合电极材料。因此具有高比表面积和优良导电性的石墨烯将是理想的超级电容器电极材料，可望提高超级电容器功率和能量密度[10-12]。
石墨烯除了能在超级电容器中作为电极材料外，还可以成为透明导电薄膜，为我们的生活提供方便。透明导电薄膜是指在可见光区（λ=380—780nm）有较高的透光率（Tavg大于80%），并且具有优良的导电性，电阻率可以达到10－5Ω•m以下的薄膜材料。透明导电薄膜是许多光电子器件的重要组成部分，例如液晶显示器，有机太阳能电池，有机发光二极管，智能窗等。铟锡氧化物（ITO）由于其高电导率和高透光率，已经成为透明导电薄膜的主要材料。然而ITO在使用过程中存在价格昂贵，材质较脆无法弯曲，不适合太阳能电池的应用等缺陷，因此具有优异透光率以及导电性、柔韧性的石墨烯成为人们研究的热门。2010年，Wu等人[13]将旋涂在石英表面的氧化石墨烯薄膜进行高温热处理，得到透明导电电极，用其取代ITO电极，并设计了石墨烯的有机电致发光二极管。与ITO基发光二极管相比，石墨烯基器件在电流密度小于10mA/cm2时，两者性能相当，但当电流密度大于10mA/cm2时，石墨烯的性能明显下降。为了弥补高温还原氧化石墨烯薄膜后的缺陷，Sun等人[14]采用缺陷更少，性能更优的外延生长石墨烯导电薄膜充当二级管电极，但其最大流明效率及最大能量效率仍然低于相同结构下的ITO电极器件性能。所以，优化石墨烯薄膜的制备方法及性能是具有现实意义的。
1.2 电泳沉积的原理
电泳沉积是一种材料制备的电化学方法，应用十分广泛。通过“电泳沉积”这个叫法，我们可以理解为，先有电泳过程即悬浮在溶液中的颗粒在直流电场作用下受力定向移动到电极附近，随后颗粒在某一电极处富集并在电极上形成沉积物。相比其他制备方法，如气相沉积和其他电化学沉积等，电泳沉积可以实现准分子水平上材料微观结构的均匀分布[15]。本次实验主要是依靠直流电场的作用，使石墨烯溶液中的带电粒子在溶液中作定向移动，然后在电极表面沉积，形成均匀致密的石墨烯薄膜。电泳沉积装置简单，成本效率高，适合于各种性质的材料和尺寸的样品[16]。电泳沉积的基础理论是DLVO理论，是一种胶体溶液的稳定性理论。该理论认为，溶胶粒子间存在的范德华引力与双电层的排斥力是决定溶胶沉积的因素。粒子间相互作用的势能与粒子间距的关系曲线如图1.2。