三维石墨烯负载金属纳米粒子复合材料的功能和特点

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　　【摘 要】三维石墨烯负载金属纳米粒子复合材料由于其优良的理化性质已被广泛运用于催化、吸附、传感等领域。论文根据石墨烯负载的金属种类不同，从负载贵金属类元素和非贵金属类元素两方面综述该类材料的性能特点及目前国内外研究进展。
　　【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.
　　【关键词】三维石墨烯； 纳米材料；金属
　　【Keywords】 three-dimensional graphene； nanomaterial； metal
　　【中图分类号】TB33；TB383.1 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2019）02-0159-02
　　1 引言
　　石墨烯由于其优异的理化性质，近年来受到了研究人员的广泛青睐。三维（3D）石墨烯相较二维石墨烯导电性更强、比表面积更大。纳米金属材料因为其尺寸小、比表面积大而具有很高的催化活性。3D石墨烯的孔洞结构可为金属纳米粒子提供载体，并有效减轻金属纳米粒子聚集，可将3D石墨烯和金属纳米粒子结合起来，制得的3D石墨烯/金属纳米粒子复合材料不仅具备石墨烯原有的性质，还具备金属纳米粒子的独有性质，在催化反应、能量储存等方面有着优越的性能及广阔的应用前景。
　　2 3D石墨烯/金属纳米粒子复合材料的功能和材料特点
　　金属可分为贵金属和非贵金属。贵金属性质稳定，通常以单质形式存在于自然界。非贵金属则指在社会各方面广泛使用的常用金属，一般包括铁、锰、铜等。下面就石墨烯负载金属种类不同，对相应复合材料的功能特点进行综述。
　　2.1 3D石墨烯/贵金属复合材料
　　贵金属主要指金、银和铂族金属的8种金属元素，目前研究较多的3D石墨烯/贵金属复合材料主要为金、银、铂三种元素和3D石墨烯结合的复合材料。
　　2.1.1 金（Au）
　　Siddhardha等[1]将3D石墨烯/Au复合材料的催化性能应用到纺织物和激光染料的脱色中，发现利用石墨烯/Au复合材料作为催化剂的实验组比对照组催化速率大幅提高。冯晓苗等[2]将肌红蛋白固定到3D石墨烯/Au复合材料修饰的玻碳电极上，应用于检测H2O2的生物传感器中，表现出良好的重现性、选择性以及稳定性。3D石墨烯/Au复合材料还具有良好的光热转换性能，可在癌细胞周围产生高热，使癌细胞凋零，为癌症的治疗提供了新的方法。
　　2.1.2 银（Ag）
　　杨红斌等[3]对3D石墨烯/Ag复合材料的表征进行研究发现，负载银纳米粒子可以使得3D石墨烯吸收拉曼光谱的强度提高十倍左右。王斌等[4]使用循环伏安法研究3D石墨烯/Ag复合材料组成的修饰电极的电化学性质，3D石墨烯负载银纳米粒子之后其电化学响应大大增强，证明该复合材料在生物传感器方面有良好的应用前景。
　　2.1.3 铂（Pt）
　　高海丽等[5]研究了3D石墨烯负载不同形貌铂基催化剂在不同燃料电池中的应用进展，结果表明，3D石墨烯/Pt復合材料比传统的球形Pt催化剂的催化性能更高、稳定性更好。3D石墨烯/Pt复合材料因为其优异的电化学性能，在传感器领域也有很大的应用空间。杨云慧等[6]利用石墨烯/Pt制备无需辣根过氧化物酶参与的H2O2传感器，不仅具有选择性高、响应性好的优点，还节约了成本。
　　2.2 3D石墨烯/非贵金属复合材料
　　非贵金属元素在地球上储量大，好开采，易与其他物质产生化学反应，常以化合物的形式存在于自然界。非贵金属纳米粒子也在3D石墨烯/金属纳米粒子的研究中逐渐受到关注。
　　2.2.1 锌（ZnO）
　　段慧敏等[7]制备了3D石墨烯/ZnO复合材料，在培养大肠杆菌的对照试验中，加入该材料的培养基体现出了对大肠杆菌生长明显的抑制作用，添加浓度达到一定量时无大肠杆菌菌落出现。马晶等[8]使用自制的光催化反应器对制备的3D石墨烯/ZnO复合材料进行光催化性质分析，3D石墨烯/ZnO复合材料的光降解效率达到了89.84%，相比于商用二氧化钛有显著提高，表明3D石墨烯/ZnO复合材料在光催化领域也有很好的应用前景。
　　2.2.2 铜（Cu）
　　李双艺等[9]对石墨烯/Cu复合材料的导热性能进行了分
　　析，发现3D结构石墨烯镀在铜薄膜两端时，石墨烯的3D结构中形成了热通道，并且同时改变了铜的金相结构，使得3D石墨烯/Cu复合材料的导热率在室温下比铜提高了24%，良好的导热性能让3D石墨烯/Cu复合材料可能广泛地应用在电子材料中。
　　2.2.3 锰（Mn）
　　杜敏芝等[10]通过浸润涂覆、化学沉积等方法将3D石墨烯/Mn复合材料添加入棉织物的纤维表面，经碳化处理后，棉织物呈现优良的应力传感和导热性质，开拓了3D石墨烯/Mn复合材料在保暖服饰和穿戴感应设备方面的应用。3D石墨烯的孔结构具有很好的吸附性，掺杂锰原子制备出的3D石墨烯/Mn复合材料被发现在物理吸附上有了一定的选择性，吸附甲醛效果有很大提升。 　　2.2.4 铁（Fe）
　　申日新等[11]通过石墨烯与氧化铁进行反应生成石墨烯/
　　Fe2O3复合材料，并且能有效缓解体积变化，并且由于石墨烯片的堆叠，该复合材料的结构得以保持，并表现出良好的循环性能。相比较石墨烯/ Fe2O3复合材料，石墨烯/ Fe3O4复合材料有更广泛的应用前景。Fe3O4具有磁性，可应用于食品检测以及环境监测等方面。
　　3 结论
　　3D石墨烯/金属纳米粒子复合材料如今已广泛应用在各个领域。3D石墨烯/贵金属纳米粒子复合材料呈现出优良的催化性、抑菌性等，在电化学传感器、燃料电池等方面有良好的应用前景。与贵金属元素相比，一些非贵金属元素储量大、成本低，也同样拥有广阔的开发空间和良好的应用前景。
　　【参考文献】
　　【1】Siddhardha R S Sai，Kumar V Lakshman，Kaniyoor Adarsh，et al.Spectrochimica Acta Part A：Molecular and Biomolecular Spectroscopy [J]. 2014（133）：365-371.
　　【2】冯晓苗，闫真真.石墨烯-金纳米复合材料：水热合成及在生物传感器中的应用[J].无机化学学报， 2013（05）：1051-1056.
　　【3】杨红斌，向文丽，徐媛，等.银-石墨烯纳米复合材料的制备与表征[J].材料导报，2014（S2）：89-92.
　　【4】王斌，张丽，郭志华，等.石墨烯/纳米银复合材料的制备及抗菌性能研究[J].稀有金属材料与工程，2015，44（1）：169-173.
　　【5】高海丽，何里烈，王力臻，等.铂基/石墨烯催化剂在燃料电池中的应用[J].电池，2017（03）：12.
　　【6】杨云慧，罗文超，冯亚娟，等.基于石墨烯/鉑纳米颗粒复合材料的过氧化氢无酶传感器的研制[J].云南师范大学学报（自然科学版），2011（04）：33.
　　【7】段慧敏，杨林松，周正伟，等.氧化锌@石墨烯纳米复合材料的抑菌性能及其细胞毒性[J].环境化学，2016，35（7）：1468-1473.
　　【8】马晶，褚佳，祖雪薇，等. 氧化锌/石墨烯复合材料的水热制备及其光催化性能[J].中国科技论文，2015（18） ：2130-2135.
　　【9】李双艺，李爱军.石墨烯/铜复合材料的制备及其性能与应用[J].功能材料信息，2017（5）：77.
　　【10】杜敏芝，田明伟，曲丽君.二氧化锰石墨烯整理棉织物的电热及传感性能研究[J].棉纺织技术，2016（12）：25-29.
　　【11】申日新，王志勇，金先波.氧化铁和石墨烯复合负极材料的制备及性能研究[J].化工新型材料，2016（08）：53-55.
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