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

（南京工業(yè)大學，南京211800）

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(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有性質(zhì)，在催化反應、能量儲存等方面有著優(yōu)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(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(jié)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)出良好的重現(xiàn)性、選擇性以及穩(wěn)定性。3D 石墨烯/Au 復合材料還具有良好的光熱轉(zhuǎn)換性能，可在癌細胞周圍產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，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(huán)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(zhì)，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(jié)果表明，3D 石墨烯/Pt 復合材料比傳統(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 復合材料因為其優(yōu)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(yōu)點，還節(jié)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(zhì)產(chǎn)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(yǎng)大腸桿菌的對照試驗中，加入該材料的培養(yǎng)基體現(xiàn)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(xiàn)。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(zhì)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(fā)現(xiàn)3D 結(jié)構(gòu)石墨烯鍍在銅薄膜兩端時，石墨烯的3D 結(jié)構(gòu)中形成了熱通道，并且同時改變了銅的金相結(jié)構(gòu)，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(jīng)碳化處理后，棉織物呈現(xiàn)優(yōu)良的應力傳感和導熱性質(zhì)，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(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(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(huán)境監(jiān)測等方面。

3 結(jié)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(xiàn)出優(yōu)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(fā)空間和良好的應用前景。