石墨烯納米復合材料的制備及利用

裴曉丹

貴州大學礦業學院

石墨烯納米復合材料的制備及利用

裴曉丹

貴州大學礦業學院

石墨烯是一種新型的納米材料，具有特殊的二維平面結構，其特殊結構決定了它具有優異的光學、熱學、電學、力學性能，在諸多領域如生物學、電化學等具有良好的發展前景。本文綜述了石墨烯的制備過程包括Hummers法、化學氣相沉積法、縱向切割碳管法等，以及其在生物傳感器、生物成像和組織工程、鋰電池等領域應用的研究發展。探討了石墨烯在應用過程中存在的問題。最后對石墨烯的納米材料的發展趨勢和應用前景作出了評述。

石墨烯；復合材料；制備技術；應用

1 石墨烯納米材料的發展現狀

石墨烯作為一種新型的納米材料，自2004年發現以來就倍受全世界的關注，其具有獨特的二維平面結構，力學性能和結構剛性優異，它最基本的結構單元是苯六元環，是世界上最薄、硬、穩定的碳納米材料[1]。在許多領域都有著遠大的發展前景。我國是一個煤炭資源相當豐富的國家，因此加深對石墨烯納米材料的了解認識以及開發和研究有著很重要的意義。

2 石墨烯納米復合材料的制備

隨著科技人員對石墨烯納米材料的不斷研究，現已研究出許多制備石墨烯納米材料的方法，其中，剝離法、Hummers法、化學氣相沉積法、電解法、電弧放電法等利用比較廣泛。

2.1 用氧化石墨制備

首先將天然的鱗片石墨與濃硫酸共熱制得氧化石墨，然后將制得的氧化石墨與蒸餾水以一定比例混合，用超聲波振蕩，振蕩后加入硼氫化鈉加熱，靜置過濾，自然晾干，收集所制得的石墨烯。這種方法雖可制得石墨烯，但是在制備過程中使用濃硫酸，廢水處理成本提高[2]。

2.2 Hummers法

Hummers法是先制備獲得薄紙狀氧化石墨片層，再用水合肼作為還原劑將得到的薄紙狀氧化石墨片層還原為石墨烯納米材料的方法。這種方法安全簡單，產量大，易于控制，可大規模制備，為石墨烯的商業化奠定了基礎。但是這種方法容易引入大量化學缺陷，影響石墨烯的本性特征[3]。

2.3 化學氣相沉積法和電弧放電法

在化學氣相沉積過程中，溫度不高，條件溫和，制備的石墨烯缺陷較少，形貌可控的石墨烯也可以制備；而電弧放電法所制得的石墨烯有程度高、缺陷少的優點，制得的石墨烯具有較高的導電性和抗氧化性，但是制備過程溫度太高，不易控制[4]。

3 石墨烯納米復合材料的應用

通過上述的制備方法，可以制備出各式各樣的石墨烯納米材料。而這些新型的材料比一般的材料擁有無可比擬的性能及優勢，為我們的生產生活和科技的進步帶來巨大的作用。

3.1 對水中活性艷紅染料作用

隨著時代的發展，經濟越來越發達，但水污染的問題也愈演愈烈，工廠排放出的廢水中含有大量有顏色的活性染料，廢水具有水量大、堿性大、水質變化大等特點，而且這些活性染料大多都屬于有機物，屬于難處理的廢水之一。

石墨烯具有特殊的二維平面結構，力學性能優異、結構剛度優良、較大的比表面積，易吸附廢水中的活性紅色染料，所以將廢水與一定量的石墨烯放置在瓶內，以一定的速率進行振蕩，一段時間后會發現原本艷紅的廢水變得澄清了，這樣用石墨烯來處理廢水，可以節約成本[5]。

3.2 在鋰電池中的應用

石墨烯具備優異的導電性能，當前以石墨烯作為鋰離子電池的負極材料已經有相關報道。石墨烯作為鋰離子電池的負極，鋰離子不但能儲存在石墨烯的層兩側，還可儲存在薄板邊緣和空腔中，其理論容量要比傳統的石墨材料高達兩倍多。此外，以石墨烯為負極的鋰離子電池，鋰離子導電性高，可以大大提高鋰離子電池的性能。是以用石墨烯作為鋰離子電池的負極材料有很大的發展前景。

當然石墨烯既然可以作為鋰離子電池的負極，那就同樣也可以作為正極，石墨烯作為鋰離子電池的正極，可以減小電極之間的接觸電阻，有效的提高電子的電導率。

總之，石墨烯對全面提高鋰離子電池的性能至關重要。

3.3 在綠色能源領域的應用

21世紀以來，人類不斷的向大自然索取資源，導致了許多不可再生的資源面臨枯竭的危險，環境污染也日益嚴重，因此探索新的可持續再生的綠色能源刻不容緩。

因此，綠色環保的鋰離子電池、太陽能電池和燃料電池等能源轉化和存儲的器件受到廣泛關注。利用石墨烯制備的鋰離子電池、光電器件、燃料電池以及其他催化劑正好可以滿足需要，但要真正滿足實際需要還需進一步的研究[6]。

石墨烯復合納米材料經過光催化可以降解水體中的污染物，還可以有效地抑制水體中細菌的生長，從而達到凈化水體、修復水體的目的。

4 結論和展望

石墨烯納米材料作為一種新型的納米材料，具有很多的優點，譬如力學性能優異、導電性優異等，因此石墨烯越來越成為人們關注和研究的方向，雖說已經有許多方法可以制得石墨烯，但是這些方法都或多或少的有缺點，沒有一種方法能夠真正滿足實際生產的需要，都有待進一步改進和研究。盡管石墨烯在應用研究方面取得了一定的成果，但仍有很長的路要走，還有許多亟待解決的問題。但是我相信隨著科技的進步，石墨烯的制備方法和應用方面將會取得突破性的進步，新的性質和潛在的價值也會不斷被人們所發現。

[1]唐亞楠,申梓剛,陳衛光.改性石墨烯納米材料氣敏特性的理論研究[J].深圳大學學報理工版,2015,32(4):365～370.

[2]雷蕓,張科,鄒琴等.氧化石墨及石墨烯材料的制備[J].非金屬礦,2011,34(1):4～5.

[3]李賞,趙偉,王家堂等.薄紙狀氧化石墨和石墨烯的制備與表征[J].武漢理工大學學報,2013,35(1):1～6.

[4]關磊.石墨烯的制備與應用研究進展[J].電子元件與材料,2012,31(4):70～73.

[5]唐祝興,梅瓊,閆帥等.磁性石墨烯納米材料的制備及其對水中活性艷紅染料的吸附研究[J].沈陽理工大學學報,2016,35(4):71～75.

[6]金梅花,智林杰.磁性石墨烯納米材料的制備基于石墨烯納米材料的結構調控及其在綠色能源領域的應用[J].沈陽理工大學學報,2013,58(24):2411～2424.

裴曉丹，男，1996年06月30日出生，漢族，籍貫山西晉中，學歷：大學本科。