石墨烯复合材料的研究及其应用

石墨烯复合材料的研究及其应用

任成，王小军，李永祥，王建龙，曹端林

摘要：石墨烯因其独特的结构和性能，成为物理化学和材料学界的研究热点。本文综述了石墨烯复合材料的结构和分类，主要包括石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。并简述石墨烯复合材料在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。

关键词：石墨烯；复合材料；纳米粒子；含能材料

Research and Application of Graphene composites

ABSTRACT: Graphene has recently attracted much interest in physics,chemistry and material field due to its unique structure and properties. This paper reviews the structure and classification of graphene composites, mainly inclouding graphene-nanoparticles composites, graphene-polymer composites and graphene-carbonmaterials composites. And resume the application of graphene composites in the field of catalysis, electrochemistry, biological medicine and energetic materials.

Keywords: graphene; composites; nanoparticles; energetic materials

石墨烯自2004年曼彻斯特大学Geim[1-3]等成功制备出以来，因其独特的结构和性能，颇受物理化学和材料学界的重视。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法，晶体外延法，化学气相沉积法，插层剥离法以及采用氧化石墨烯的高温脱氧和化学还原法等[4-10]。与碳纳米管类似，石墨烯很难作为单一原料生产某种产品，而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合．从而获得具有优异性能的新型复合材料。而氧化石墨烯由于其特殊的性质和结构，使其成为制备石墨烯和石墨烯复合材料的理想前驱体。本文综述了石墨烯复合材料的结构、分类及其在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。

1. 石墨烯复合材料的结构

石墨烯复合材料的结构有如图1所示的四种类型：（a）石墨烯负载的复合材料；（b）石墨烯包裹的复合材料；（c）石墨烯内嵌的复合材料；（d）基于石墨烯层状复合材料。石墨烯负载的复合材料是在石墨烯表面引入第二组分并在其表面进行外延伸展得到的。石墨烯包裹的复合材料是用石墨烯片将第二组分包裹得到的，可以更有效地防止第二组分的聚合。石墨烯内嵌的复合材料是将石墨烯纳米片作为填充物充分分散在第二组分的基体相中得到的。其中基体相可以是纳米材料，也可以是块体材料组成。在现阶段的研究中，石墨烯内嵌的复合材料的第二组分以聚合物居多，但一些无机化合物如陶瓷材料也可以嵌入石墨烯中形成石墨烯内嵌的功能陶瓷材料。由于石墨烯具有很大的比表面积和很高的导电率，使得这些陶瓷材料具有更好的性质和应用价值[11]。石墨烯层状复合材料是将第二组分和石墨烯片交替堆积而成，该结构可以使石墨烯与第二组分的接触面积最大化，并有利于电子的产生、传输和分离。

图1 石墨烯基复合材料的结构示意图：(a)石墨烯负载的复合材料；(b)石墨烯包裹的复合材料；(c)石墨烯内嵌的复合材料；(d)基于石墨烯的层状复合材料.

Fig.1 Schematic illustration of architectures of GN-based nanocomposites:(a)GN-supported nanocomposites；(b)GN-encapsulated nanocomposites; (c)GN-incorporated nanocomposites ；

(d)GN-based multilavered.

2. 石墨烯基复合材料的分类

石墨烯具有诸多优异的性能，如导电导热性好、韧性好、比表面积大等等，这些性能使得石墨烯基复合材料呈现出许多优异的特性。如以石墨烯为载体负载纳米粒子，可以提高这些粒子的催化性能、传导性能；利用石墨烯较好的韧性，将其添加到高分子中，可以提高高分子材料的机械性能和导电性能。按第二组分的不同，可将石墨烯复合材料分为石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料，本节将进行详细讨论。

2.1 石墨烯-纳米粒子复合材料

纳米粒子其独特的物理化学性质引起纳米科学工作的极大兴趣，但寻找合适的载体成为纳米粒子广泛应用的一个难题。石墨烯与其他碳材料（碳纳米管、富勒烯等）相比，表现出优异的电学、光学等物理化学性质，以及有较低的制备成本，使得石墨烯成为了纳米粒子的潜在载体。由于片层间范德华力的作用, 石墨烯往往存在着不可逆的团聚现象,而存在于石墨烯层间的纳米粒子正好起到分离邻近石墨烯片层、防止发生团聚的作用。近年来，人们创造性地将石墨烯与纳米粒子复合起来，形成了一个新的研究领域。可与石墨烯形成复合物的纳米粒子有很多，如负载金属纳米粒子(Pt，Au，Pd，Ag等)、氧化物纳米粒子(Cu2O，TiO2，SnO2等)以及硫化物纳米粒子（CdS）等。这些不同负载粒子的石墨烯复合材料也呈现出了许多不同的性质。Kim 等[12]成功的把粒径在2~5 nm之间的纳米银粒子分散在石墨烯/聚吡咯中，制备出了银-石墨烯/聚吡咯纳米粒子复合材料，表现出更好的电催化活性和比电容。Chen等[13]采用溶剂热法合成石墨烯/V2O5复合材料，粒径在20~40 nm之间，V2O5纳米颗粒被包裹在二维石墨烯中，制备出的石墨烯/V2O5复合材料与V2O5纳米颗粒相比，表现出更强电化学性能。此外，石墨烯/SnO2复合材料[14,15]、石墨烯/TiO2复合材料[16]、石墨烯/Co3O4复合材料[17]、石墨烯/MoO2复合材料[18]、石墨烯/Mn3O4复合材料[19]等石墨烯/金属氧化物复合材料相继涌现，与原金属氧化物纳米粒子相比，都具有更好的电学性能。陶丽华等[20]采用原位合成法制备了石墨烯/CdS量子点复合材料，结果显示，CdS量子点提高了石墨烯结构的稳定和层间传导性，从而相比于石墨烯表现出更优异的电化学性能。同时石墨烯/CdS 量子点复合材料不仅与电解液有良好的相容性, 而且还显著地提高了电池的可逆容量。

目前，石墨烯-纳米粒子复合材料的研究主要集中在一元纳米粒子的复合，