石墨烯纳米复合材料的制备及利用

裴晓丹

贵州大学矿业学院

石墨烯纳米复合材料的制备及利用

裴晓丹

贵州大学矿业学院

石墨烯是一种新型的纳米材料，具有特殊的二维平面结构，其特殊结构决定了它具有优异的光学、热学、电学、力学性能，在诸多领域如生物学、电化学等具有良好的发展前景。本文综述了石墨烯的制备过程包括Hummers法、化学气相沉积法、纵向切割碳管法等，以及其在生物传感器、生物成像和组织工程、锂电池等领域应用的研究发展。探讨了石墨烯在应用过程中存在的问题。最后对石墨烯的纳米材料的发展趋势和应用前景作出了评述。

石墨烯；复合材料；制备技术；应用

1 石墨烯纳米材料的发展现状

石墨烯作为一种新型的纳米材料，自2004年发现以来就倍受全世界的关注，其具有独特的二维平面结构，力学性能和结构刚性优异，它最基本的结构单元是苯六元环，是世界上最薄、硬、稳定的碳纳米材料[1]。在许多领域都有着远大的发展前景。我国是一个煤炭资源相当丰富的国家，因此加深对石墨烯纳米材料的了解认识以及开发和研究有着很重要的意义。

2 石墨烯纳米复合材料的制备

随着科技人员对石墨烯纳米材料的不断研究，现已研究出许多制备石墨烯纳米材料的方法，其中，剥离法、Hummers法、化学气相沉积法、电解法、电弧放电法等利用比较广泛。

2.1 用氧化石墨制备

首先将天然的鳞片石墨与浓硫酸共热制得氧化石墨，然后将制得的氧化石墨与蒸馏水以一定比例混合，用超声波振荡，振荡后加入硼氢化钠加热，静置过滤，自然晾干，收集所制得的石墨烯。这种方法虽可制得石墨烯，但是在制备过程中使用浓硫酸，废水处理成本提高[2]。

2.2 Hummers法

Hummers法是先制备获得薄纸状氧化石墨片层，再用水合肼作为还原剂将得到的薄纸状氧化石墨片层还原为石墨烯纳米材料的方法。这种方法安全简单，产量大，易于控制，可大规模制备，为石墨烯的商业化奠定了基础。但是这种方法容易引入大量化学缺陷，影响石墨烯的本性特征[3]。

2.3 化学气相沉积法和电弧放电法

在化学气相沉积过程中，温度不高，条件温和，制备的石墨烯缺陷较少，形貌可控的石墨烯也可以制备；而电弧放电法所制得的石墨烯有程度高、缺陷少的优点，制得的石墨烯具有较高的导电性和抗氧化性，但是制备过程温度太高，不易控制[4]。

3 石墨烯纳米复合材料的应用

通过上述的制备方法，可以制备出各式各样的石墨烯纳米材料。而这些新型的材料比一般的材料拥有无可比拟的性能及优势，为我们的生产生活和科技的进步带来巨大的作用。

3.1 对水中活性艳红染料作用

随着时代的发展，经济越来越发达，但水污染的问题也愈演愈烈，工厂排放出的废水中含有大量有颜色的活性染料，废水具有水量大、碱性大、水质变化大等特点，而且这些活性染料大多都属于有机物，属于难处理的废水之一。

石墨烯具有特殊的二维平面结构，力学性能优异、结构刚度优良、较大的比表面积，易吸附废水中的活性红色染料，所以将废水与一定量的石墨烯放置在瓶内，以一定的速率进行振荡，一段时间后会发现原本艳红的废水变得澄清了，这样用石墨烯来处理废水，可以节约成本[5]。

3.2 在锂电池中的应用

石墨烯具备优异的导电性能，当前以石墨烯作为锂离子电池的负极材料已经有相关报道。石墨烯作为锂离子电池的负极，锂离子不但能储存在石墨烯的层两侧，还可储存在薄板边缘和空腔中，其理论容量要比传统的石墨材料高达两倍多。此外，以石墨烯为负极的锂离子电池，锂离子导电性高，可以大大提高锂离子电池的性能。是以用石墨烯作为锂离子电池的负极材料有很大的发展前景。

当然石墨烯既然可以作为锂离子电池的负极，那就同样也可以作为正极，石墨烯作为锂离子电池的正极，可以减小电极之间的接触电阻，有效的提高电子的电导率。

总之，石墨烯对全面提高锂离子电池的性能至关重要。

3.3 在绿色能源领域的应用

21世纪以来，人类不断的向大自然索取资源，导致了许多不可再生的资源面临枯竭的危险，环境污染也日益严重，因此探索新的可持续再生的绿色能源刻不容缓。

因此，绿色环保的锂离子电池、太阳能电池和燃料电池等能源转化和存储的器件受到广泛关注。利用石墨烯制备的锂离子电池、光电器件、燃料电池以及其他催化剂正好可以满足需要，但要真正满足实际需要还需进一步的研究[6]。

石墨烯复合纳米材料经过光催化可以降解水体中的污染物，还可以有效地抑制水体中细菌的生长，从而达到净化水体、修复水体的目的。

4 结论和展望

石墨烯纳米材料作为一种新型的纳米材料，具有很多的优点，譬如力学性能优异、导电性优异等，因此石墨烯越来越成为人们关注和研究的方向，虽说已经有许多方法可以制得石墨烯，但是这些方法都或多或少的有缺点，没有一种方法能够真正满足实际生产的需要，都有待进一步改进和研究。尽管石墨烯在应用研究方面取得了一定的成果，但仍有很长的路要走，还有许多亟待解决的问题。但是我相信随着科技的进步，石墨烯的制备方法和应用方面将会取得突破性的进步，新的性质和潜在的价值也会不断被人们所发现。

[1]唐亚楠,申梓刚,陈卫光.改性石墨烯纳米材料气敏特性的理论研究[J].深圳大学学报理工版,2015,32(4):365～370.

[2]雷芸,张科,邹琴等.氧化石墨及石墨烯材料的制备[J].非金属矿,2011,34(1):4～5.

[3]李赏,赵伟,王家堂等.薄纸状氧化石墨和石墨烯的制备与表征[J].武汉理工大学学报,2013,35(1):1～6.

[4]关磊.石墨烯的制备与应用研究进展[J].电子元件与材料,2012,31(4):70～73.

[5]唐祝兴,梅琼,闫帅等.磁性石墨烯纳米材料的制备及其对水中活性艳红染料的吸附研究[J].沈阳理工大学学报,2016,35(4):71～75.

[6]金梅花,智林杰.磁性石墨烯纳米材料的制备基于石墨烯纳米材料的结构调控及其在绿色能源领域的应用[J].沈阳理工大学学报,2013,58(24):2411～2424.

裴晓丹，男，1996年06月30日出生，汉族，籍贯山西晋中，学历：大学本科。