三維石墨烯負(fù)載金屬納米粒子復(fù)合材料的功能和特點(diǎn)

何金佩李敏婧 張一清 劉雨燕 袁芳

【摘 要】三維石墨烯負(fù)載金屬納米粒子復(fù)合材料由于其優(yōu)良的理化性質(zhì)已被廣泛運(yùn)用于催化、吸附、傳感等領(lǐng)域。論文根據(jù)石墨烯負(fù)載的金屬種類不同，從負(fù)載貴金屬類元素和非貴金屬類元素兩方面綜述該類材料的性能特點(diǎn)及目前國內(nèi)外研究進(jìn)展。

【Abstract】Three-dimensional graphene-supported metallic nanocomposites have been widely used in catalysis， adsorption， sensing and other fields because of their excellent physical and chemical properties. According to different types of metals loaded on graphene， the properties and research progress of these materials at home and abroad are reviewed from two aspects： noble metals and non-noble metals.

【關(guān)鍵詞】三維石墨烯； 納米材料；金屬

【Keywords】 three-dimensional graphene； nanomaterial； metal

【中圖分類號(hào)】TB33；TB383.1 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）02-0159-02

1 引言

石墨烯由于其優(yōu)異的理化性質(zhì)，近年來受到了研究人員的廣泛青睞。三維（3D）石墨烯相較二維石墨烯導(dǎo)電性更強(qiáng)、比表面積更大。納米金屬材料因?yàn)槠涑叽缧?、比表面積大而具有很高的催化活性。3D石墨烯的孔洞結(jié)構(gòu)可為金屬納米粒子提供載體，并有效減輕金屬納米粒子聚集，可將3D石墨烯和金屬納米粒子結(jié)合起來，制得的3D石墨烯/金屬納米粒子復(fù)合材料不僅具備石墨烯原有的性質(zhì)，還具備金屬納米粒子的獨(dú)有性質(zhì)，在催化反應(yīng)、能量儲(chǔ)存等方面有著優(yōu)越的性能及廣闊的應(yīng)用前景。

2 3D石墨烯/金屬納米粒子復(fù)合材料的功能和材料特點(diǎn)

金屬可分為貴金屬和非貴金屬。貴金屬性質(zhì)穩(wěn)定，通常以單質(zhì)形式存在于自然界。非貴金屬則指在社會(huì)各方面廣泛使用的常用金屬，一般包括鐵、錳、銅等。下面就石墨烯負(fù)載金屬種類不同，對(duì)相應(yīng)復(fù)合材料的功能特點(diǎn)進(jìn)行綜述。

2.1 3D石墨烯/貴金屬復(fù)合材料

貴金屬主要指金、銀和鉑族金屬的8種金屬元素，目前研究較多的3D石墨烯/貴金屬復(fù)合材料主要為金、銀、鉑三種元素和3D石墨烯結(jié)合的復(fù)合材料。

2.1.1 金（Au）

Siddhardha等[1]將3D石墨烯/Au復(fù)合材料的催化性能應(yīng)用到紡織物和激光染料的脫色中，發(fā)現(xiàn)利用石墨烯/Au復(fù)合材料作為催化劑的實(shí)驗(yàn)組比對(duì)照組催化速率大幅提高。馮曉苗等[2]將肌紅蛋白固定到3D石墨烯/Au復(fù)合材料修飾的玻碳電極上，應(yīng)用于檢測H2O2的生物傳感器中，表現(xiàn)出良好的重現(xiàn)性、選擇性以及穩(wěn)定性。3D石墨烯/Au復(fù)合材料還具有良好的光熱轉(zhuǎn)換性能，可在癌細(xì)胞周圍產(chǎn)生高熱，使癌細(xì)胞凋零，為癌癥的治療提供了新的方法。

2.1.2 銀（Ag）

楊紅斌等[3]對(duì)3D石墨烯/Ag復(fù)合材料的表征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)載銀納米粒子可以使得3D石墨烯吸收拉曼光譜的強(qiáng)度提高十倍左右。王斌等[4]使用循環(huán)伏安法研究3D石墨烯/Ag復(fù)合材料組成的修飾電極的電化學(xué)性質(zhì)，3D石墨烯負(fù)載銀納米粒子之后其電化學(xué)響應(yīng)大大增強(qiáng)，證明該復(fù)合材料在生物傳感器方面有良好的應(yīng)用前景。

2.1.3 鉑（Pt）

高海麗等[5]研究了3D石墨烯負(fù)載不同形貌鉑基催化劑在不同燃料電池中的應(yīng)用進(jìn)展，結(jié)果表明，3D石墨烯/Pt復(fù)合材料比傳統(tǒng)的球形Pt催化劑的催化性能更高、穩(wěn)定性更好。3D石墨烯/Pt復(fù)合材料因?yàn)槠鋬?yōu)異的電化學(xué)性能，在傳感器領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用空間。楊云慧等[6]利用石墨烯/Pt制備無需辣根過氧化物酶參與的H2O2傳感器，不僅具有選擇性高、響應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)，還節(jié)約了成本。

2.2 3D石墨烯/非貴金屬復(fù)合材料

非貴金屬元素在地球上儲(chǔ)量大，好開采，易與其他物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，常以化合物的形式存在于自然界。非貴金屬納米粒子也在3D石墨烯/金屬納米粒子的研究中逐漸受到關(guān)注。

2.2.1 鋅（ZnO）

段慧敏等[7]制備了3D石墨烯/ZnO復(fù)合材料，在培養(yǎng)大腸桿菌的對(duì)照試驗(yàn)中，加入該材料的培養(yǎng)基體現(xiàn)出了對(duì)大腸桿菌生長明顯的抑制作用，添加濃度達(dá)到一定量時(shí)無大腸桿菌菌落出現(xiàn)。馬晶等[8]使用自制的光催化反應(yīng)器對(duì)制備的3D石墨烯/ZnO復(fù)合材料進(jìn)行光催化性質(zhì)分析，3D石墨烯/ZnO復(fù)合材料的光降解效率達(dá)到了89.84%，相比于商用二氧化鈦有顯著提高，表明3D石墨烯/ZnO復(fù)合材料在光催化領(lǐng)域也有很好的應(yīng)用前景。

2.2.2 銅（Cu）

李雙藝等[9]對(duì)石墨烯/Cu復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行了分

析，發(fā)現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)石墨烯鍍?cè)阢~薄膜兩端時(shí)，石墨烯的3D結(jié)構(gòu)中形成了熱通道，并且同時(shí)改變了銅的金相結(jié)構(gòu)，使得3D石墨烯/Cu復(fù)合材料的導(dǎo)熱率在室溫下比銅提高了24%，良好的導(dǎo)熱性能讓3D石墨烯/Cu復(fù)合材料可能廣泛地應(yīng)用在電子材料中。

2.2.3 錳（Mn）

杜敏芝等[10]通過浸潤涂覆、化學(xué)沉積等方法將3D石墨烯/Mn復(fù)合材料添加入棉織物的纖維表面，經(jīng)碳化處理后，棉織物呈現(xiàn)優(yōu)良的應(yīng)力傳感和導(dǎo)熱性質(zhì)，開拓了3D石墨烯/Mn復(fù)合材料在保暖服飾和穿戴感應(yīng)設(shè)備方面的應(yīng)用。3D石墨烯的孔結(jié)構(gòu)具有很好的吸附性，摻雜錳原子制備出的3D石墨烯/Mn復(fù)合材料被發(fā)現(xiàn)在物理吸附上有了一定的選擇性，吸附甲醛效果有很大提升。

2.2.4 鐵（Fe）

申日新等[11]通過石墨烯與氧化鐵進(jìn)行反應(yīng)生成石墨烯/

Fe2O3復(fù)合材料，并且能有效緩解體積變化，并且由于石墨烯片的堆疊，該復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)得以保持，并表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能。相比較石墨烯/ Fe2O3復(fù)合材料，石墨烯/ Fe3O4復(fù)合材料有更廣泛的應(yīng)用前景。Fe3O4具有磁性，可應(yīng)用于食品檢測以及環(huán)境監(jiān)測等方面。

3 結(jié)論

3D石墨烯/金屬納米粒子復(fù)合材料如今已廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。3D石墨烯/貴金屬納米粒子復(fù)合材料呈現(xiàn)出優(yōu)良的催化性、抑菌性等，在電化學(xué)傳感器、燃料電池等方面有良好的應(yīng)用前景。與貴金屬元素相比，一些非貴金屬元素儲(chǔ)量大、成本低，也同樣擁有廣闊的開發(fā)空間和良好的應(yīng)用前景。

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