在化石資源日漸減少、環(huán)境問題日益嚴(yán)重的今天，能源問題成為現(xiàn)階段制約人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。實(shí)現(xiàn)可替代傳統(tǒng)化石能源的可再生能源（如風(fēng)能、太陽(yáng)能等）的有效利用，是解決能源危機(jī)的重要手段。而大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的引入將有效提高可再生能源發(fā)電的入網(wǎng)效率。同時(shí)，混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車的逐步市場(chǎng)化以及各種便攜式用電裝置的快速發(fā)展，均需要高效實(shí)用的電能存儲(chǔ)系統(tǒng)。

優(yōu)異的儲(chǔ)能材料是儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部分，而具有特殊結(jié)構(gòu)的碳材料一直是儲(chǔ)能材料大家族的重要成員，石墨烯是真正的表面性固體，理想的單層石墨烯具有超大的比表面積，是目前世界上最薄但也是最堅(jiān)韌的納米導(dǎo)電材料，其每個(gè)碳原子均為sp2 雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p 軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動(dòng)，這賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。在室溫下石墨烯傳遞電子的速率比普通的導(dǎo)電材料快得多。這為其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，近年來人們對(duì)它在多個(gè)化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，如儲(chǔ)氫、超級(jí)電容器、鋰離子電池、鋰硫電池和鋰-空氣電池等。

氫能以其資源豐富、零污染、可再生、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)成為未來能源結(jié)構(gòu)中最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉摧d體，被譽(yù)為21 世紀(jì)的綠色能源。氫能的利用需要能量密度大、能耗少、安全性高的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，其中衡量?jī)?chǔ)氫性能的標(biāo)準(zhǔn)主要包括質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度和體積儲(chǔ)氫密度。此外，充放氫的速率、可逆性以及循環(huán)使用壽命等參數(shù)也同樣重要。

石墨烯理論上具有2630m2/g高比表面積,決定了其具有高的儲(chǔ)能空間,為石墨烯在儲(chǔ)氫領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。2008年G. K. Dimitrakakis利用多尺度理論計(jì)算了石墨'烯-碳納米管三維體系在室溫條件下的儲(chǔ)氫能力,通過調(diào)節(jié)孔隙尺寸及比表面積,在加入Li+的條件下理論上儲(chǔ)氫能力高達(dá)41gH2/L,接近美國(guó)能源部2010年對(duì)汽車可逆儲(chǔ)氫實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(45gH2/L)。

2009年G. Srmivas對(duì)氧化石墨'烯懸浮液進(jìn)行還原處理后得到實(shí)際比表面積達(dá)640m2/g的石墨煉,其在10bar壓力,77K、 298K下對(duì)氫的可逆存儲(chǔ)能力分別達(dá)到1.2wt.%和0.1 wt.%,在100bar、298K下儲(chǔ)氫能力達(dá)到0.72 wt.%,明顯優(yōu)于現(xiàn)有其它碳基材料。

A. Ghosh同樣采用化學(xué)剝離法制備了少層石墨烯樣品,在低溫和常溫下同樣表現(xiàn)出了較高的儲(chǔ)氫能力。在77k、1atm下,儲(chǔ)氫能力達(dá)到1.7 wt.%,并且儲(chǔ)氫量與材料比表面積成線性關(guān)系,據(jù)此推論,同樣條件下單層石墨烯的儲(chǔ)氫能力應(yīng)達(dá)到3 wt.%以上。當(dāng)外界條件升到298K、100atm時(shí),所制備的少層石墨烯樣品儲(chǔ)氫能力達(dá)到3wt.%以上。更為有趣的是,他們發(fā)現(xiàn)在195K、1atm下對(duì)CO儲(chǔ)存能力高達(dá)35 wt.%,根據(jù)第一性原理計(jì)算,同樣條件下,如果采用單層石墨烯,儲(chǔ)氫能力可達(dá)7.7%wt.%,完全滿足美國(guó)能源部2010年對(duì)汽車可逆儲(chǔ)氫實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(45gH2/L或6wt.%)。

理想的石墨烯是真正的表面性固體，其所有碳原子均暴露在表面，具有用作鋰離子電池正負(fù)極材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：