石墨烯納米復(fù)合材料的制備及利用

裴曉丹

貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院

石墨烯納米復(fù)合材料的制備及利用

裴曉丹

貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院

石墨烯是一種新型的納米材料，具有特殊的二維平面結(jié)構(gòu)，其特殊結(jié)構(gòu)決定了它具有優(yōu)異的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)性能，在諸多領(lǐng)域如生物學(xué)、電化學(xué)等具有良好的發(fā)展前景。本文綜述了石墨烯的制備過(guò)程包括Hummers法、化學(xué)氣相沉積法、縱向切割碳管法等，以及其在生物傳感器、生物成像和組織工程、鋰電池等領(lǐng)域應(yīng)用的研究發(fā)展。探討了石墨烯在應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題。最后對(duì)石墨烯的納米材料的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景作出了評(píng)述。

石墨烯；復(fù)合材料；制備技術(shù)；應(yīng)用

1 石墨烯納米材料的發(fā)展現(xiàn)狀

石墨烯作為一種新型的納米材料，自2004年發(fā)現(xiàn)以來(lái)就倍受全世界的關(guān)注，其具有獨(dú)特的二維平面結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)剛性優(yōu)異，它最基本的結(jié)構(gòu)單元是苯六元環(huán)，是世界上最薄、硬、穩(wěn)定的碳納米材料[1]。在許多領(lǐng)域都有著遠(yuǎn)大的發(fā)展前景。我國(guó)是一個(gè)煤炭資源相當(dāng)豐富的國(guó)家，因此加深對(duì)石墨烯納米材料的了解認(rèn)識(shí)以及開(kāi)發(fā)和研究有著很重要的意義。

2 石墨烯納米復(fù)合材料的制備

隨著科技人員對(duì)石墨烯納米材料的不斷研究，現(xiàn)已研究出許多制備石墨烯納米材料的方法，其中，剝離法、Hummers法、化學(xué)氣相沉積法、電解法、電弧放電法等利用比較廣泛。

2.1 用氧化石墨制備

首先將天然的鱗片石墨與濃硫酸共熱制得氧化石墨，然后將制得的氧化石墨與蒸餾水以一定比例混合，用超聲波振蕩，振蕩后加入硼氫化鈉加熱，靜置過(guò)濾，自然晾干，收集所制得的石墨烯。這種方法雖可制得石墨烯，但是在制備過(guò)程中使用濃硫酸，廢水處理成本提高[2]。

2.2 Hummers法

Hummers法是先制備獲得薄紙狀氧化石墨片層，再用水合肼作為還原劑將得到的薄紙狀氧化石墨片層還原為石墨烯納米材料的方法。這種方法安全簡(jiǎn)單，產(chǎn)量大，易于控制，可大規(guī)模制備，為石墨烯的商業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。但是這種方法容易引入大量化學(xué)缺陷，影響石墨烯的本性特征[3]。

2.3 化學(xué)氣相沉積法和電弧放電法

在化學(xué)氣相沉積過(guò)程中，溫度不高，條件溫和，制備的石墨烯缺陷較少，形貌可控的石墨烯也可以制備；而電弧放電法所制得的石墨烯有程度高、缺陷少的優(yōu)點(diǎn)，制得的石墨烯具有較高的導(dǎo)電性和抗氧化性，但是制備過(guò)程溫度太高，不易控制[4]。

3 石墨烯納米復(fù)合材料的應(yīng)用

通過(guò)上述的制備方法，可以制備出各式各樣的石墨烯納米材料。而這些新型的材料比一般的材料擁有無(wú)可比擬的性能及優(yōu)勢(shì)，為我們的生產(chǎn)生活和科技的進(jìn)步帶來(lái)巨大的作用。

3.1 對(duì)水中活性艷紅染料作用

隨著時(shí)代的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)越來(lái)越發(fā)達(dá)，但水污染的問(wèn)題也愈演愈烈，工廠排放出的廢水中含有大量有顏色的活性染料，廢水具有水量大、堿性大、水質(zhì)變化大等特點(diǎn)，而且這些活性染料大多都屬于有機(jī)物，屬于難處理的廢水之一。

石墨烯具有特殊的二維平面結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)良、較大的比表面積，易吸附廢水中的活性紅色染料，所以將廢水與一定量的石墨烯放置在瓶?jī)?nèi)，以一定的速率進(jìn)行振蕩，一段時(shí)間后會(huì)發(fā)現(xiàn)原本艷紅的廢水變得澄清了，這樣用石墨烯來(lái)處理廢水，可以節(jié)約成本[5]。

3.2 在鋰電池中的應(yīng)用

石墨烯具備優(yōu)異的導(dǎo)電性能，當(dāng)前以石墨烯作為鋰離子電池的負(fù)極材料已經(jīng)有相關(guān)報(bào)道。石墨烯作為鋰離子電池的負(fù)極，鋰離子不但能儲(chǔ)存在石墨烯的層兩側(cè)，還可儲(chǔ)存在薄板邊緣和空腔中，其理論容量要比傳統(tǒng)的石墨材料高達(dá)兩倍多。此外，以石墨烯為負(fù)極的鋰離子電池，鋰離子導(dǎo)電性高，可以大大提高鋰離子電池的性能。是以用石墨烯作為鋰離子電池的負(fù)極材料有很大的發(fā)展前景。

當(dāng)然石墨烯既然可以作為鋰離子電池的負(fù)極，那就同樣也可以作為正極，石墨烯作為鋰離子電池的正極，可以減小電極之間的接觸電阻，有效的提高電子的電導(dǎo)率。

總之，石墨烯對(duì)全面提高鋰離子電池的性能至關(guān)重要。

3.3 在綠色能源領(lǐng)域的應(yīng)用

21世紀(jì)以來(lái)，人類不斷的向大自然索取資源，導(dǎo)致了許多不可再生的資源面臨枯竭的危險(xiǎn)，環(huán)境污染也日益嚴(yán)重，因此探索新的可持續(xù)再生的綠色能源刻不容緩。

因此，綠色環(huán)保的鋰離子電池、太陽(yáng)能電池和燃料電池等能源轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)的器件受到廣泛關(guān)注。利用石墨烯制備的鋰離子電池、光電器件、燃料電池以及其他催化劑正好可以滿足需要，但要真正滿足實(shí)際需要還需進(jìn)一步的研究[6]。

石墨烯復(fù)合納米材料經(jīng)過(guò)光催化可以降解水體中的污染物，還可以有效地抑制水體中細(xì)菌的生長(zhǎng)，從而達(dá)到凈化水體、修復(fù)水體的目的。

4 結(jié)論和展望

石墨烯納米材料作為一種新型的納米材料，具有很多的優(yōu)點(diǎn)，譬如力學(xué)性能優(yōu)異、導(dǎo)電性優(yōu)異等，因此石墨烯越來(lái)越成為人們關(guān)注和研究的方向，雖說(shuō)已經(jīng)有許多方法可以制得石墨烯，但是這些方法都或多或少的有缺點(diǎn)，沒(méi)有一種方法能夠真正滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，都有待進(jìn)一步改進(jìn)和研究。盡管石墨烯在應(yīng)用研究方面取得了一定的成果，但仍有很長(zhǎng)的路要走，還有許多亟待解決的問(wèn)題。但是我相信隨著科技的進(jìn)步，石墨烯的制備方法和應(yīng)用方面將會(huì)取得突破性的進(jìn)步，新的性質(zhì)和潛在的價(jià)值也會(huì)不斷被人們所發(fā)現(xiàn)。

[1]唐亞楠,申梓剛,陳衛(wèi)光.改性石墨烯納米材料氣敏特性的理論研究[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版,2015,32(4):365～370.

[2]雷蕓,張科,鄒琴等.氧化石墨及石墨烯材料的制備[J].非金屬礦,2011,34(1):4～5.

[3]李賞,趙偉,王家堂等.薄紙狀氧化石墨和石墨烯的制備與表征[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,35(1):1～6.

[4]關(guān)磊.石墨烯的制備與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].電子元件與材料,2012,31(4):70～73.

[5]唐祝興,梅瓊,閆帥等.磁性石墨烯納米材料的制備及其對(duì)水中活性艷紅染料的吸附研究[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào),2016,35(4):71～75.

[6]金梅花,智林杰.磁性石墨烯納米材料的制備基于石墨烯納米材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控及其在綠色能源領(lǐng)域的應(yīng)用[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,58(24):2411～2424.

裴曉丹，男，1996年06月30日出生，漢族，籍貫山西晉中，學(xué)歷：大學(xué)本科。