三维石墨烯负载金属纳米粒子复合材料的功能和特点

何金佩，李敏婧，张一清，刘雨燕，袁芳

（南京工业大学，南京211800）

1 引言

石墨烯由于其优异的理化性质，近年来受到了研究人员的广泛青睐。三维(3D)石墨烯相较二维石墨烯导电性更强、比表面积更大。纳米金属材料因为其尺寸小、比表面积大而具有很高的催化活性。3D 石墨烯的孔洞结构可为金属纳米粒子提供载体，并有效减轻金属纳米粒子聚集，可将3D 石墨烯和金属纳米粒子结合起来，制得的3D 石墨烯/金属纳米粒子复合材料不仅具备石墨烯原有的性质，还具备金属纳米粒子的独有性质，在催化反应、能量储存等方面有着优越的性能及广阔的应用前景。

2 3D 石墨烯/金属纳米粒子复合材料的功能和材料特点

金属可分为贵金属和非贵金属。贵金属性质稳定，通常以单质形式存在于自然界。非贵金属则指在社会各方面广泛使用的常用金属，一般包括铁、锰、铜等。下面就石墨烯负载金属种类不同，对相应复合材料的功能特点进行综述。

2.1 3D 石墨烯/贵金属复合材料

贵金属主要指金、银和铂族金属的8 种金属元素，目前研究较多的3D 石墨烯/贵金属复合材料主要为金、银、铂三种元素和3D 石墨烯结合的复合材料。

2.1.1 金（Au）

Siddhardha 等[1]将3D 石墨烯/Au 复合材料的催化性能应用到纺织物和激光染料的脱色中，发现利用石墨烯/Au 复合材料作为催化剂的实验组比对照组催化速率大幅提高。冯晓苗等[2]将肌红蛋白固定到3D 石墨烯/Au 复合材料修饰的玻碳电极上，应用于检测H2O2的生物传感器中，表现出良好的重现性、选择性以及稳定性。3D 石墨烯/Au 复合材料还具有良好的光热转换性能，可在癌细胞周围产生高热，使癌细胞凋零，为癌症的治疗提供了新的方法。

2.1.2 银（Ag）

杨红斌等[3]对3D 石墨烯/Ag 复合材料的表征进行研究发现，负载银纳米粒子可以使得3D 石墨烯吸收拉曼光谱的强度提高十倍左右。王斌等[4]使用循环伏安法研究3D 石墨烯/Ag 复合材料组成的修饰电极的电化学性质，3D 石墨烯负载银纳米粒子之后其电化学响应大大增强，证明该复合材料在生物传感器方面有良好的应用前景。

2.1.3 铂（Pt）

高海丽等[5]研究了3D 石墨烯负载不同形貌铂基催化剂在不同燃料电池中的应用进展，结果表明，3D 石墨烯/Pt 复合材料比传统的球形Pt 催化剂的催化性能更高、稳定性更好。3D石墨烯/Pt 复合材料因为其优异的电化学性能，在传感器领域也有很大的应用空间。杨云慧等[6]利用石墨烯/Pt 制备无需辣根过氧化物酶参与的H2O2传感器，不仅具有选择性高、响应性好的优点，还节约了成本。

2.2 3D 石墨烯/非贵金属复合材料

非贵金属元素在地球上储量大，好开采，易与其他物质产生化学反应，常以化合物的形式存在于自然界。非贵金属纳米粒子也在3D 石墨烯/金属纳米粒子的研究中逐渐受到关注。

2.2.1 锌（ZnO）

段慧敏等[7]制备了3D 石墨烯/ZnO 复合材料，在培养大肠杆菌的对照试验中，加入该材料的培养基体现出了对大肠杆菌生长明显的抑制作用，添加浓度达到一定量时无大肠杆菌菌落出现。马晶等[8]使用自制的光催化反应器对制备的3D 石墨烯/ZnO 复合材料进行光催化性质分析，3D 石墨烯/ZnO 复合材料的光降解效率达到了89.84%，相比于商用二氧化钛有显著提高，表明3D 石墨烯/ZnO 复合材料在光催化领域也有很好的应用前景。

2.2.2 铜（Cu）

李双艺等[9]对石墨烯/Cu 复合材料的导热性能进行了分析，发现3D 结构石墨烯镀在铜薄膜两端时，石墨烯的3D 结构中形成了热通道，并且同时改变了铜的金相结构，使得3D石墨烯/Cu 复合材料的导热率在室温下比铜提高了24%，良好的导热性能让3D 石墨烯/Cu 复合材料可能广泛地应用在电子材料中。

2.2.3 锰（Mn）

杜敏芝等[10]通过浸润涂覆、化学沉积等方法将3D 石墨烯/Mn 复合材料添加入棉织物的纤维表面，经碳化处理后，棉织物呈现优良的应力传感和导热性质，开拓了3D 石墨烯/Mn 复合材料在保暖服饰和穿戴感应设备方面的应用。3D 石墨烯的孔结构具有很好的吸附性，掺杂锰原子制备出的3D 石墨烯/Mn 复合材料被发现在物理吸附上有了一定的选择性，吸附甲醛效果有很大提升。

2.2.4 铁（Fe）

申日新等[11]通过石墨烯与氧化铁进行反应生成石墨烯/Fe2O3复合材料，并且能有效缓解体积变化，并且由于石墨烯片的堆叠，该复合材料的结构得以保持，并表现出良好的循环性能。相比较石墨烯/ Fe2O3复合材料，石墨烯/ Fe3O4复合材料有更广泛的应用前景。Fe3O4具有磁性，可应用于食品检测以及环境监测等方面。

3 结论

3D 石墨烯/金属纳米粒子复合材料如今已广泛应用在各个领域。3D 石墨烯/贵金属纳米粒子复合材料呈现出优良的催化性、抑菌性等，在电化学传感器、燃料电池等方面有良好的应用前景。与贵金属元素相比，一些非贵金属元素储量大、成本低，也同样拥有广阔的开发空间和良好的应用前景。