三維石墨烯負載金屬納米粒子復合材料的功能和特點

何金佩李敏婧 張一清 劉雨燕 袁芳

【摘 要】三維石墨烯負載金屬納米粒子復合材料由于其優良的理化性質已被廣泛運用于催化、吸附、傳感等領域。論文根據石墨烯負載的金屬種類不同，從負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及目前國內外研究進展。

【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.

【關鍵詞】三維石墨烯； 納米材料；金屬

【Keywords】 three-dimensional graphene； nanomaterial； metal

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

1 引言

石墨烯由于其優異的理化性質，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電性更強、比表面積更大。納米金屬材料因為其尺寸小、比表面積大而具有很高的催化活性。3D石墨烯的孔洞結構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合起來，制得的3D石墨烯/金屬納米粒子復合材料不僅具備石墨烯原有的性質，還具備金屬納米粒子的獨有性質，在催化反應、能量儲存等方面有著優越的性能及廣闊的應用前景。

2 3D石墨烯/金屬納米粒子復合材料的功能和材料特點

金屬可分為貴金屬和非貴金屬。貴金屬性質穩定，通常以單質形式存在于自然界。非貴金屬則指在社會各方面廣泛使用的常用金屬，一般包括鐵、錳、銅等。下面就石墨烯負載金屬種類不同，對相應復合材料的功能特點進行綜述。

2.1 3D石墨烯/貴金屬復合材料

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/貴金屬復合材料主要為金、銀、鉑三種元素和3D石墨烯結合的復合材料。

2.1.1 金（Au）

Siddhardha等[1]將3D石墨烯/Au復合材料的催化性能應用到紡織物和激光染料的脫色中，發現利用石墨烯/Au復合材料作為催化劑的實驗組比對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復合材料修飾的玻碳電極上，應用于檢測H2O2的生物傳感器中，表現出良好的重現性、選擇性以及穩定性。3D石墨烯/Au復合材料還具有良好的光熱轉換性能，可在癌細胞周圍產生高熱，使癌細胞凋零，為癌癥的治療提供了新的方法。

2.1.2 銀（Ag）

楊紅斌等[3]對3D石墨烯/Ag復合材料的表征進行研究發現，負載銀納米粒子可以使得3D石墨烯吸收拉曼光譜的強度提高十倍左右。王斌等[4]使用循環伏安法研究3D石墨烯/Ag復合材料組成的修飾電極的電化學性質，3D石墨烯負載銀納米粒子之后其電化學響應大大增強，證明該復合材料在生物傳感器方面有良好的應用前景。

2.1.3 鉑（Pt）

高海麗等[5]研究了3D石墨烯負載不同形貌鉑基催化劑在不同燃料電池中的應用進展，結果表明，3D石墨烯/Pt復合材料比傳統的球形Pt催化劑的催化性能更高、穩定性更好。3D石墨烯/Pt復合材料因為其優異的電化學性能，在傳感器領域也有很大的應用空間。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、響應性好的優點，還節約了成本。

2.2 3D石墨烯/非貴金屬復合材料

非貴金屬元素在地球上儲量大，好開采，易與其他物質產生化學反應，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注。

2.2.1 鋅（ZnO）

段慧敏等[7]制備了3D石墨烯/ZnO復合材料，在培養大腸桿菌的對照試驗中，加入該材料的培養基體現出了對大腸桿菌生長明顯的抑制作用，添加濃度達到一定量時無大腸桿菌菌落出現。馬晶等[8]使用自制的光催化反應器對制備的3D石墨烯/ZnO復合材料進行光催化性質分析，3D石墨烯/ZnO復合材料的光降解效率達到了89.84%，相比于商用二氧化鈦有顯著提高，表明3D石墨烯/ZnO復合材料在光催化領域也有很好的應用前景。

2.2.2 銅（Cu）

李雙藝等[9]對石墨烯/Cu復合材料的導熱性能進行了分

析，發現3D結構石墨烯鍍在銅薄膜兩端時，石墨烯的3D結構中形成了熱通道，并且同時改變了銅的金相結構，使得3D石墨烯/Cu復合材料的導熱率在室溫下比銅提高了24%，良好的導熱性能讓3D石墨烯/Cu復合材料可能廣泛地應用在電子材料中。

2.2.3 錳（Mn）

杜敏芝等[10]通過浸潤涂覆、化學沉積等方法將3D石墨烯/Mn復合材料添加入棉織物的纖維表面，經碳化處理后，棉織物呈現優良的應力傳感和導熱性質，開拓了3D石墨烯/Mn復合材料在保暖服飾和穿戴感應設備方面的應用。3D石墨烯的孔結構具有很好的吸附性，摻雜錳原子制備出的3D石墨烯/Mn復合材料被發現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行反應生成石墨烯/

Fe2O3復合材料，并且能有效緩解體積變化，并且由于石墨烯片的堆疊，該復合材料的結構得以保持，并表現出良好的循環性能。相比較石墨烯/ Fe2O3復合材料，石墨烯/ Fe3O4復合材料有更廣泛的應用前景。Fe3O4具有磁性，可應用于食品檢測以及環境監測等方面。

3 結論

3D石墨烯/金屬納米粒子復合材料如今已廣泛應用在各個領域。3D石墨烯/貴金屬納米粒子復合材料呈現出優良的催化性、抑菌性等，在電化學傳感器、燃料電池等方面有良好的應用前景。與貴金屬元素相比，一些非貴金屬元素儲量大、成本低，也同樣擁有廣闊的開發空間和良好的應用前景。

【參考文獻】

【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】馮曉苗，閆真真.石墨烯-金納米復合材料：水熱合成及在生物傳感器中的應用[J].無機化學學報， 2013（05）：1051-1056.

【3】楊紅斌，向文麗，徐媛，等.銀-石墨烯納米復合材料的制備與表征[J].材料導報，2014（S2）：89-92.

【4】王斌，張麗，郭志華，等.石墨烯/納米銀復合材料的制備及抗菌性能研究[J].稀有金屬材料與工程，2015，44（1）：169-173.

【5】高海麗，何里烈，王力臻，等.鉑基/石墨烯催化劑在燃料電池中的應用[J].電池，2017（03）：12.

【6】楊云慧，羅文超，馮亞娟，等.基于石墨烯/鉑納米顆粒復合材料的過氧化氫無酶傳感器的研制[J].云南師范大學學報（自然科學版），2011（04）：33.

【7】段慧敏，楊林松，周正偉，等.氧化鋅@石墨烯納米復合材料的抑菌性能及其細胞毒性[J].環境化學，2016，35（7）：1468-1473.

【8】馬晶，褚佳，祖雪薇，等. 氧化鋅/石墨烯復合材料的水熱制備及其光催化性能[J].中國科技論文，2015（18） ：2130-2135.

【9】李雙藝，李愛軍.石墨烯/銅復合材料的制備及其性能與應用[J].功能材料信息，2017（5）：77.

【10】杜敏芝，田明偉，曲麗君.二氧化錳石墨烯整理棉織物的電熱及傳感性能研究[J].棉紡織技術，2016（12）：25-29.

【11】申日新，王志勇，金先波.氧化鐵和石墨烯復合負極材料的制備及性能研究[J].化工新型材料，2016（08）：53-55.