浅谈石墨烯复合材料的研究进展

张伟

摘要：石墨烯拥有特殊的二维结构，自身性能也比较优良，正成为近年来材料领域研究的热门。其中，石墨烯复合材料屬于当前石墨烯重点的研究课题。本文就石墨烯复合材料主要类型、制备、应用进行简单的介绍，以供参考。

关键词：石墨烯;复合材料;制备;性能

石墨烯属于一种原子晶体，由英国科学家于2004年制备出来的。迄今为止它属于人类已知的最薄材料，厚度仅为0.3354nm。由于独特的单原子层结构以及新奇的物理特性使石墨烯成为近年来材料学领域的研究热点。伴随可化学修饰石墨烯的出现，由于成本低廉人们可生产出各种石墨烯复合材料。本文就石墨烯复合材料最新研究进展进行论述。

1、石墨烯的概述

这种物质是单层碳原子构成的，结构为二维型，也是制备其它维石墨材料的主要材料。它能够包裹构成零维富勒烯，卷起来构成一维碳纳米管，通过层层堆积可构成三维石墨。其主要体性就是独特的载流子特性。它是当前发现的电阻率最低的材料，其内部电子运输时具有非常强的抗干扰性能，若为室温条件，它的电子迁移率非常大，大于15000cm2/（V.S）。对于单层石墨烯来说，载流子迁移率极少受到化学掺杂与温度的干扰。此外，它还具有一些特殊的物理性能，包括室温下的量子霍尔效应、较长的电子平均自由路径、较强的热传导性与机械强度等。石墨烯的生产成本便宜，加之比表面积较大，非常适合开发高性能复合材料。

2、石墨烯/无机复合材料

石墨烯/无机纳米复合材料的制备原理是在石墨烯纳米片表面分散无机材料。这种复合材料中石墨烯片层距离变大，原因还是无机纳米粒子的影响，进而使石墨烯片层间的相互作用变小。这样就能保留下单层石墨烯的特有性质。为阻碍石墨烯片发生团聚，可通过无机纳米粒子对石墨烯片进行修饰。由此得到的复合材料继承了石墨烯以及纳米粒子的特性，而且也能形成新的协同效应，应用价值较高。

2.1石墨烯与金属复合

制备这种复合材料只需把金属纳米粒子分散于石墨烯片上。它继承了石墨烯比表面积较大的特性，多用作催化剂载体。同时，该材料的特有电子性能也有助于提高催化剂活性。目前，主要的负载金属包括金、银、钯、铂等。这些复合材料比金属本身性能更优，而且也能减少贵金属的用量，具有极高的经济价值。

2.2石墨烯与金属化合物复合

这类石墨烯复合材料多用于超级电容器、锂电池、光催化等领域。与金属氧化物复合，常见的包括与二氧化钛（TiO2）复合，TiO2作为常见半导体材料，价格便宜、化学性质稳定、催化活性好、无毒、反应条件温和，可以清除水与大气中的污染物。因此，它成为解决环境与能源问题的最佳材料，主要用于太阳能电池、传感器、光催化等行业。清华大学李景虹等人通过水热法合成了TiO2：（P25）/石墨烯复合材料，对染料的吸附性极强，同时，对光吸收范围也进一步扩展[1]。石墨烯与氧化锌（ZnO）复合，ZnO的光学性能与电性能较好，而且UV光谱吸收区间较宽，被广泛用于发光二极管、太阳能电池、相关气敏元件等领域。同时，ZnO对有毒化学物质具有高敏感性，可判定有无有毒化学物质存在，然后对其予以降解。Park等经过研究获得了一种新复合材料，即石墨烯/ZnO纳米棒阵列的复合材料，这种材料能够轻易地被转移至其它基底上[2]。

2.3石墨烯与非金属材料复合

Yan等人制备出石墨烯纳米片/碳黑复合材料，采用的方法是超声波与原位还原法。研究显示，经处理后纳米片边缘部分表面可见大量碳黑离子汇集，经过原位还原后这些离子在纳米片的基部聚集。相对于纯石墨烯材料，这种复合材料具有更好的电化学性能[3]。因此，逆电流器可由碳黑粒子扮演，可以保证该复合材料的纳米通道高的电化学利用。石墨烯/碳黑可用于制作超级电容器，当扫描速率是10mV/s时，比电容为175F/g，而纯石墨烯材料的只有122.6F/g。另外，当循环次数为6000次后其电容量仅减少了少部分，仅减少了最初电容量的9.1%。可见，石墨烯/碳黑这种材料在超级电容领域有良好的应用前景。

3、石墨烯与聚合物的复合

由于石墨烯与不同聚合物的复合作用存在差异，可将石墨烯聚合物复合材料划分为下列三种：

3.1石墨烯填充聚合物复合材料

在选取填充物时，石墨烯通常可用于代替碳纳米管，其复合材料制备主要受到两大因素的影响，分别是分散性、与聚合物基体的相互作用。目前，这类材料的制备手段包括原位聚合、溶液混合、熔融共混等。其中，溶液混合法所获得复合材料具有良好的分散性，而且力学性能也非常好。不过此法的缺陷在于分散液成本较高，且无法获得单层石墨烯分散液。相较之下，熔融共混法更具优势，不仅可以获得质量更好的复合材料，而且简单经济。但是很多工业级的聚合物具有高粘度的特点，在石墨烯/工程塑料复合材料生产领域难以大量推广。原位聚合法则没有这一局限性。Huang等人通过原位聚合法获得的聚烯烃/石墨烯纳米复合材料，具有良好的导电性能，电导率高达163.1S/m[4]。

3.2功能化聚合物复合材料

这类复合材料是由石墨烯与相关衍生物所制备而成的，经过聚合物修饰作用，利用共价或非共价功能所形成。就石墨烯衍生物来说，它的共价功能通常在聚合物官能团以及氧化石墨烯表面的含氧官能团上发生反应。在有反应的共价界面上能够改良复合材料的一些特性，包括力学性能、热学性能。Wang等人研究获得功能化石墨烯环氧树脂复合材料，共价功能化的石墨烯界面让该复合材料的抗拉强度增加了45%[5]。

3.3层状石墨烯聚合物复合材料

将相关聚合物、石墨烯衍生物进行复合处理后，就能获得层状结构的材料。该复合材料多用于下列行业：光伏器件、定向负载承重膜生产。

参考文献

[1]李琳，李刚.石墨烯复合材料的研究进展[J].科技信息，2012，（36）：63-64.

[2]J.M.Lee，Y.B.Pyun，J.Yi，J.W.Choung，W.I.Park.ZnO nano-rod-graphene hybrid architectures for multifunetional conductors.The Journal of Physical Chemistry C.2009，113（44）：19134-19138.

[3]Yan J，Wei T，Shao B，et a1.Electro chemical properties of graphene nanosheet/carbon black composites as electrodes for supercapacitors[J].Carbon ，2010，48 （6 ） ： 1731—1737.

[4]Huang Qin Y，Wang N，et a1.Reduction of graphite oxide with a grignard reagent for facile in situ preparation of Electrically conductive polyolefin/graphenenano composites.Macromo1.Chem.Phws.2012，213（7）： 720 - 728

[5]Wang X，Xing W，Zhang et a1.Covalent functionalization of graphene with org anosilane and its use as a reinforcement in epoxy composites.Compos.Sci.Techno1.2 012 ，72 （6 ） ： 737- 743