Graphene, a one-atom layer of graphite, possesses a unique two-dimensional (2D) structure, high conductivity and charge carrier mobility, huge specific surface area, high transparency and great mechanical strength. Thus, it is expected to be an ideal material for energy storage and conversion. During the past several years, a variety of graphene based materials (GBMs) have been successfully prepared and applied in supercapacitors, lithium ion batteries, water splitting, electrocatalysts for fuel cells, and solar cells. In this review, we will summarize the recent advances in the synthesis and applications of GBMs in these energy related systems. The challenges and prospects of graphene based new energy materials are also discussed.

Graphene and its functionalized derivatives are unique and versatile building blocks for self-assembly to fabricate graphene-based functional materials with hierarchical microstructures. Here we report a strategy for three-dimensional self-assembly of graphene oxide sheets and DNA to form multifunctional hydrogels. The hydrogels possess high mechanical strength, environmental stability, and dye-loading capacity, and a exhibit self-healing property. This study provides a new insight for the assembly of functionalized graphene with other building blocks, especially biomolecules, which will help rational design and preparation of hierarchical graphene-based materials.

The recent boom in multifunction portable electronic equipments requires the development of compact and miniaturized electronic circuits with high efficiencies, low costs and long lasting time. For the operation of most line-powered electronics, alternating current (ac) line-filters are used to attenuate the leftover ac ripples on direct current (dc) voltage busses. Today, aluminum electrolytic capacitors (AECs) are widely applied for this purpose. However, they are usually the largest components in electronic circuits. Replacing AECs by more compact capacitors will have an immense impact on future electronic devices. Here, we report a double-layer capacitor based on three-dimensional (3D) interpenetrating graphene electrodes fabricated by electrochemical reduction of graphene oxide (ErGO-DLC). At 120-hertz, the ErGO-DLC exhibited a phase angle of −84 degrees, a specific capacitance of 283 microfaradays per centimeter square and a resistor-capacitor (RC) time constant of 1.35 milliseconds, making it capable of replacing AECs for the application of 120-hertz filtering.

ZnO1–x/graphene hybrid photocatalyst was prepared via a facile in-situ reduction of graphene oxide and ZnO1–x surface defect oxide. The hybrid photocatlayst showed enhanced photocatalytic activity for the photodegradation of methylene blue. The photocorrosion of ZnO1–x was successfully inhibited by graphene hybridation. ZnO1–x/graphene hybrid photocatalyst with 1.2 wt % graphene showed the optimized photocatalytic activity. The photocatalytic activity of ZnO1–x/graphene-1.2 wt % under visible and UV light was about 4.6 and 1.2 times that of ZnO1–x sample, respectively. The photocurrent intensity of ZnO1–x under visible and UV light irradiation can be enhanced by 2 and 3.5 times by graphene hybridization. The enhancement of photocatalytic activity and photocurrent intensity in ZnO1–x/graphene was attributed to the synergistic effect between graphene and ZnO1–x for high separation efficiency of photoinduced electron–hole pairs mainly resulting from the promotion of HOMO orbit of graphene and the Oi″ defect level of ZnO1–x in ZnO1–x/graphene.

To achieve efficient conversion of renewable energy sources through water splitting, low-cost, earth-abundant, and robust electrocatalysts for the oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER) are required. Herein, vertically aligned oxygenated-CoS2–MoS2 (O-CoMoS) heteronanosheets grown on flexible carbon fiber cloth as bifunctional electrocatalysts have been produced by use of the Anderson-type (NH4)4[CoIIMo6O24H6]·6H2O polyoxometalate as bimetal precursor. In comparison to different O-FeMoS, O-NiMoS, and MoS2 nanosheet arrays, the O-CoMoS heteronanosheet array exhibited low overpotentials of 97 and 272 mV to reach a current density of 10 mA cm–2 in alkaline solution for the HER and OER, respectively. Assembled as an electrolyzer for overall water splitting, O-CoMoS heteronanosheets as both the anode and cathode deliver a current density of 10 mA cm–2 at a quite low cell voltage of 1.6 V. This O-CoMoS architecture is highly advantageous for a disordered structure, exposure of active heterointerfaces, a "highway" of charge transport on two-dimensional conductive channels, and abundant active catalytic sites from the synergistic effect of the heterostructures, accomplishing a dramatically enhanced performance for the OER, HER, and overall water splitting. This work represents a feasible strategy to explore efficient and stable bifunctional bimetal sulfide electrocatalysts for renewable energy applications.

Graphitic carbon nitride, a polymeric catalyst, was immobilized on the surfaces of chemically converted graphene sheets to form a layered composite, which exhibited greatly improved conductivity and electrocatalytic performance on oxygen reduction reaction.

We report an improved Hummers method for synthesizing graphene quantum dots (GQDs) by directly oxidizing and etching graphite powders. The yield of GQDs is as high as 63 ± 7% (by weight, wt%), suggesting this technique is suitable for producing GQDs on a large scale. The GQDs are nanocrystals with lateral dimensions in the range of 2-4 nm and an average thickness of around 1.3 nm. The emission peaks of as-prepared GQDs can be tuned in the range of 440 to 510 nm by varying the reaction conditions. Their fluorescence quantum yields were tested to be around 1%, which could be further increased to about 3% by hydrothermal treatment. These GQDs have low cytotoxicity and excellent biocompatibility, indicating that they are promising for biological applications.

Inorganic perovskite quantum dots as optoelectronic materials have attracted enormous attention in light-harvesting and emitting devices. However, photocatalytic conversion based on inorganic perovskite halides has not been reported. Here, we have synthesized colloidal quantum dots (QDs, 3-12 nm) of cesium lead halide perovskites (CsPbBr3 ) as a new type of photocatalytic material. The band gap energies and photoluminescence (PL) spectra are tunable over the visible spectral region according to quantum size effects on an atomic scale. The increased carrier lifetime revealed by time-resolved PL spectra, indicates the efficient electron-hole separation and transfer. As expected, the CsPbBr3 QDs with high selectivity of greater than 99 % achieve an efficient yield of 20.9 μmol g-1 towards solar CO2 reduction. This work has opened a new avenue for inorganic colloidal perovskite materials as efficient photocatalysts to convert CO2 into valuable fuels.

Abstract Developing earth‐abundant, active, and robust electrocatalysts for oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER) remains a vital challenge for efficient conversion of sustainable energy sources. Herein, metal–semiconductor hybrids are reported with metallic nanoalloys on various defective oxide nanowire arrays (Cu/CuO x , Co/CoO x , and CuCo/CuCoO x ) as typical Mott–Schottky electrocatalysts. To build the highway of continuous electron transport between metals and semiconductors, nitrogen‐doped carbon (NC) has been implanted on metal–semiconductor nanowire array as core–shell conductive architecture. As expected, NC/CuCo/CuCoO x nanowires arrays, as integrated Mott–Schottky electrocatalysts, present an overpotential of 112 mV at 10 mA cm −2 and a low Tafel slope of 55 mV dec −1 for HER, simultaneously delivering an overpotential of 190 mV at 10 mA cm −2 for OER. Most importantly, NC/CuCo/CuCoO x architectures, as both the anode and the cathode for overall water splitting, exhibit a current density of 10 mA cm −2 at a cell voltage of 1.53 V with excellent stability due to high conductivity, large active surface area, abundant active sites, and the continuous electron transport from prominent synergetic effect among metal, semiconductor, and nitrogen‐doped carbon. This work represents an avenue to design and develop efficient and stable Mott–Schottky bifunctional electrocatalysts for promising energy conversion.

Abstract Graphene has wide potential applications in energy‐related systems, mainly because of its unique atom‐thick two‐dimensional structure, high electrical or thermal conductivity, optical transparency, great mechanical strength, inherent flexibility, and huge specific surface area. For this purpose, graphene materials are frequently blended with polymers to form composites, especially when fabricating flexible devices. Graphene/polymer composites have been explored as electrodes of supercapacitors or lithium ion batteries, counter electrodes of dye‐sensitized solar cells, transparent conducting electrodes and active layers of organic solar cells, catalytic electrodes, and polymer electrolyte membranes of fuel cells. In this review, we summarize the recent advances on the synthesis and applications of graphene/polymer composites for energy applications. The challenges and prospects in this field have also been discussed. © 2012 Wiley Periodicals, Inc. J Polym Sci Part B: Polym Phys, 2013