Heteroatom-doped graphene and its derived layered materials play a substantial role in several emerging science fields, demonstrating great potential for implementation in new devices and for improving the performance of existing technologies. A wide variety of strategies have been applied for the controlled synthesis and for achieving the intended doping/co-doping levels in the carbon network of graphene-based materials. Precise and reproducible doping is crucial for altering the Fermi energy level and to tune the band gap according to the desired device/application. Heteroatom-doped and co-doped graphene-based materials (n-type and p-type doping) have been synthesized for devices in energy-related applications using various chemical and physical routes. In this review article, we survey the most recent research works on the synthesis of heteroatom-doped graphene materials such as reduced graphene oxide, graphene oxide, graphene quantum dots and graphene nanoribbons. Applications of these materials in energy storage/conversion devices (supercapacitors, batteries, fuel cells, water splitting and solar cells) are also reviewed. Finally, the challenges and future perspectives for heteroatom-doped graphene materials are briefly discussed. We hope this article offers a useful starting point for researchers entering the field, providing an overview of synthesis approaches and energy applications.

The importance of graphene and its derivatives for “clean energy” applications became apparent over the last few years due to their exceptional characteristics, especially regarding electrical, thermal and chemical properties. In this review article we examine the recent progress and some of the challenges in the syntheses and modification of graphene-based materials, including energy storage applications as electrodes in Li-ion batteries (LIBs). Various synthesis routes have been used for obtaining graphene using different kinds of carbon sources (graphite, non-graphitic carbon and carbon-containing materials). The most popular processing methods include epitaxial growth, liquid phase chemical/electrochemical exfoliation, mechanical exfoliation, chemical vapor deposition and laser-assisted synthesis. Taking the reduction approach, chemical, thermal, microwave and laser reduction methods have been applied to prepare graphene from graphene oxide/graphite oxide. Recent research has shown that graphene derivatives and hybrids/ nanocomposites using metal oxides/mixed metal oxides and metal sulfides/mixed metal sulphides can have a profound impact on the performance of energy storage devices. Closing the text, we speculate on the future prospects for the application of graphene and its derivatives in energy storage devices. We expect that this review article will help in generating new insights for further development and practical applications of graphene-based materials.

Graphene, reduced graphene oxide (rGO) and derived materials have emerged as promising solutions for applications in renewable energy storage/conversion devices. No alternatives are known to simultaneously exhibit large specific surface area, high electrical conductivity, good chemical stability, high mechanical strength and flexibility. This review article is a collection of some of the most relevant research efforts published in the last few years focusing on the synthesis and modification of graphene/rGO as well as doped and hybrid bi-dimensional carbon materials. For research on graphene growth, the choice of precursor and physical state (gas, solid or liquid) has been proved to be as important as the environment and synthesis approach. On the other hand, research focused on graphene oxide reduction has relied on the development of simple and efficient techniques for rGO conversion and device structuring. Modifications applied to graphene (during synthesis) or rGO (during reduction) have included doping, decoration with nanoparticles and the formation of composite microstructures. Fabrication of electrodes based on graphene/rGO for application in energy storage and conversion has been reported, including relevant performance data from real devices (supercapacitors, lithium ion batteries, fuel cells or solar cells). This review concludes with a brief discussion of some of the possible directions for promising research in the area of graphene/rGO fabrication for energy conversion and storage devices.

Systematic survey on the fabrication and electrochemical performance of the most promising classes of pseudocapacitive/battery-type electrode materials for supercapacitors.