石墨烯和石墨烯基复合材料的制备及其应用

石墨烯和石墨烯基复合材料的制备及其应用摘要：石墨烯是一种新型二维平面结构的纳米碳材料，相比于其他碳质材料，其特殊的原子层结构使其表现出非常优异的电学、热学和力学等性能。

本文重点概述了石墨烯及其复合材料的制备方法和性能以及在光电、催化、储能和生物医药等领域的应用前景。

关键词：石墨烯制备方法复合材料应用前景石墨烯是由sp2杂化碳原子构成的正六边形单层二维碳质新材料，是构建其它维数碳材料的基本单元。

这种稳定的单原子层薄膜由geim课题组[1]2004年率先发现后就立刻震撼了科学界，随后在材料学和物理学领域掀起了研究热潮。

石墨烯是迄今为止发现的最薄的二维材料，其厚度仅0.335nm，相当于头发的20万分之一。

完美的石墨烯只包括六角元胞；如果有五角元胞和七角元胞存在，控制它们的数量就可以得到不同形状的碳材料，如零维富勒烯、一维纳米碳管（cnt）、三维石墨等。

由于石墨烯常温下具有优异的电学、热学和力学性能以及不规则量子霍尔效应、量子干涉效应等，有望在液晶材料、储能材料、机械谐振器、高性能纳电子器件等方面获得应用。

1、石墨烯的制备石墨烯的制备方法通常有微机械剥离法、氧化还原法、化学气相沉积、sic晶体外延生长法等。

微机械剥离法是获得石墨烯最普通的方法。

利用机械力，如透明胶带黏力，将石墨烯片从具有高度取向热解石墨晶体（hopg）表面剥离开来。

2004年，k.novoselov用机械剥离法首次制备出单层石墨烯[1]。

该法操作简单、质量较高，但存在产率低、成本高、尺寸不易控制等缺点，无法满足工业大规模生产的需求。

氧化还原法比较常见的是hummers法[2]，是利用强氧化剂（如浓硫酸、高锰酸钾、双氧水）作用于天然鳞状石墨制得氧化石墨烯；再利用还原剂或其它还原方法（如热还原、紫外还原等）制得石墨烯。

通常使用的还原剂有水合肼、对苯二酚和硼氢化钠等。

该法制得的石墨烯表面含有一亲水基团，为有机改性复合材料和金属氧化物包覆纳米材料提供了便利。

化学气相沉积（cvd）法[3]是将平面基底（如金属薄膜）置于高温可分解的前驱体（如甲烷、乙烯等）气氛中，通过高温退火使碳原子沉积在基底表面形成石墨烯，最后用化学腐蚀法除去金属基底后可得到独立的石墨烯片。

sic晶体外延生长法[4]主要是将6h-sic单晶表面氧化或 h2 刻蚀预处理，在超高真空下（约10-8pa）加热至1000℃去除表面氧化物，1250-1450℃恒温10-20min，所制得的石墨烯片层厚度主要由这一步骤的温度所决定。

此外，还有电化学方法和电弧法等。

2、石墨烯复合材料将石墨烯与其它材料复合可赋予复合材料优异的机械性能和导电性能；以石墨烯为载体负载纳米粒子，可以提高这些粒子在催化、传感器、超级电容器等领域中的应用。

2.1 石墨烯/聚合物复合材料stankovich等[6]利用溶液共混法，将石墨烯与ps聚合物复合制得石墨烯/ps复合材料。

该材料具有较低的导电渗阈值，其值仅为0.1%；kim等[7]发现功能化石墨烯/聚（乙烯-2，6-萘二甲酸）复合物的导电渗流阈值为0.3%；brinson等[8]研究表明，聚甲基丙烯酸甲酯中加入石墨烯可大幅度提高其强度、模量、玻璃化转变温度和热分解温度，且作用效果远好于单壁碳纳米管和膨胀石墨。

2.2 石墨烯/纳米粒子复合材料金属纳米粒子（pt，au，pd，ag）、氧化物纳米粒子（nio，tio2，fe3o4）等均可与石墨烯形成纳米复合物，它们在催化、生物传感器、光谱学等领域具有独特性能。

例如，石墨烯-pt纳米复合物在甲醇燃料电池中具有较好的催化性能和抗中毒性[9]；tio2/石墨烯复合光催化材料的分解水产氢速率远大于同条件下商业p25的产氢速率[10]；表面羧基修饰的fe3o4纳米粒子与聚乙烯亚胺（pei）修饰的氧化石墨烯进行交联，得到的复合材料在磁靶向载药、生物分离、磁共振成像以及污水处理等领域获得广泛的应用[11]。

研究表明[12]，石墨烯作为良好的电子受体和传递介质，可明显加快cds 光生电子的迁移速率，增强复合材料的光电性能和光催化分解水产氢的活性。

3、石墨烯及其复合物的应用3.1 光电领域石墨烯拥有较高的比表面积和电导率，石墨烯基纳米材料有望成为超级电容的理想材料；具有大π电子体系的石墨烯可应用于制作性能优良的非线性光学材料，在图像处理、光开关、光学存储等诸多领域有广阔的应用前景。

石墨烯在太阳能电池应用方面也展现出独特的优势，将石墨烯氧化物旋涂到石英表面，进行热还原处理后，发现在400-1800nm范围内透光率可达80%。

可以预见，在未来的材料领域，石墨烯以及复合材料必将取代现有的硅导电材料，发挥巨大的优势。

3.2 催化和储能材料碳材料如石墨、活性碳、碳纳米管一直被广泛用作催化剂的载体。

大量研究结果表明碳载体的结构对担载催化剂的性能有很大影响。

石墨烯具有规整的二维表面结构，故其可作为理想的模板担载催化剂。

将pd 纳米颗粒固定到氧化石墨烯上[13]，所得复合物应用于suzuki-miyaura反应中，比传统的pd-c催化剂有更高的催化活性。

froudakis等[14]设计了一种新型的孔径尺寸可调的3d 碳材料，称为石墨烯柱。

当这种新型碳材料掺杂锂原子时，其储氢量可达到611wt%。

可以预期，石墨烯储氢材料将在能源储存领域获得更为广泛的应用。

3.3 生物医药领域石墨烯的比表面积大，且有着良好的生物相容性，是理想的药物载体。

例如，聚乙二醇功能化的石墨烯[15]具有很好的水溶性和分散性，利用π-π相互作用首次成功将抗肿瘤药物喜树碱衍生物负载到功能化的石墨烯上，开启了石墨烯在生物医药方面的应用研究。

以可溶性石墨烯作为药物载体，利用氢键作用实现了抗肿瘤药物阿霉素在石墨烯上的高效负载，其负载量远高于其它药物载体[16]；纳米石墨烯还具有优良的抗菌抗菌性能，氧化石墨烯对大肠杆菌抑制率超过90%，且由于其良好的生物相容性，对哺乳动物细胞的毒性很小。

3.4 其他领域石墨烯优异的热传输性能可应用于微型电子设备，如导热膏、热驱动、形状记忆聚合物等；石墨烯在聚合物基体中可限制聚合物链的流动性，在燃烧过程中，阻燃性的各向异性石墨烯形成碳层网络，阻碍降解产物的逸出，因此石墨烯/聚合物复合材料可用作阻燃剂；石墨烯具有优异的物理机械性能，比现有的炭质填料，石墨烯用于增强聚合物材料更具有优势。

4、结语自从石墨烯于2004年首次被发现，与之相关的研究工作已取得重要的进展。

石墨烯的特殊结构决定了它优异的电学性能、物理机械性能和热学性能等，且制备石墨烯的原料来源丰富，价格低廉，在光电领域、多相催化领域和生物医药领域等都得到了广泛的关注。

近些年来，石墨烯复合材料的研究十分活跃，但仍面临着许多问题和挑战，如研究范围较窄，与其它高聚物的相容性、分散性和复合物性能等。

在实现石墨烯的规模化制备和开发宽领域石墨烯复合材料等一列关键问题得到解决后，石墨烯的应用范围将变的更加广阔。

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