氧化石墨烯与金属纳米粒子复合材料的制备与应用进展研究

氧化石墨烯与金属纳米粒子复合材料的制备与应用进展研究

摘要 论文对氧化石墨烯与金属纳米粒子复合材料的制备及其性质和应用进行了详细的综述。

关键词 氧化石墨烯；金属纳米粒子；性质和应用

前言

石墨烯材料优异的电学，力学（极好的柔性）性质已经使其在柔性透明导电材料领域崭露头角，成为新一代最有潜力的透明电极的候选材料。目前机械剥离法制备的石墨烯电子迁移率高达40，000 cm2 V-1 s-1，远远高于TCO薄膜材料的迁移率（10-40 cm2 V-1 s-1），它的一个优点就是，在具有同样电导率的情况下石墨烯薄膜的载流子浓度较低，可以摆脱传统的TCO薄膜由于高载流子浓度所引起的问题，提高其在可见区尤其是红外区域的透过率。理想的石墨烯薄膜在可见区以及红外区域的透过率高达97.7%。同时，石墨烯具有较好的热稳定性、化学稳定性，P型导电以及低温稳定的电导率。另外，石墨烯在紫外区也有较高的透过率。以上的诸多优点使得石墨烯有望成为ITO的替代品，应用于柔性电子学领域。

由于氧化石墨烯具有较好的水溶性、高比表面积、表面含有大量的亲水氧化官能团等特点，使其在制备复合材料方面具有巨大的优势。因氧化石墨烯和金属纳米粒子的复合，在光催化、电化学、生物检测、热敏材料、透明导电等领域具有广泛应用而受到关注。本文将针对氧化石墨烯与金属复合材料的制备方法及其性质与应用展开一系列的综述。

1 氧化石墨烯与金属复合材料的制备方法

1.1 水相法

在氧化石墨烯与金属粒子复合材料的制备过程中，水相法是最常见的方法。工作组在利用GO的碱溶液制备其与Li粒子的复合材料时就采用了这种方法。水相法不仅可以将钯纳米粒子复合至氧化石墨烯上，金、银、铂等，也可以在水相环境下修饰到其片层结构上[1]。

1.2 有机相法

有机相法同样也是制备氧化石墨烯与金属纳米粒子复合材料的常用方法。在混合有机体系中，可以采用微波辐照的方法将银、铜的纳米粒子沉积到氧化石墨烯的片层结构上。

1.3 自组装法

由于纳米粒子粒径分布较宽，在其表面上分布不均匀，杂化的纳米片层容易团聚。此时，可以采用自组装法来克服这些困难。

由于氧化石墨烯表面存在着大量的含氧官能团，包括环氧基，羧基，羟基等多数含氧官能团都为许多化学反应提供了活性点，同时也为金属粒子的附着提供了很好的可能。通过自组装法使金属粒子自由附着在氧化石墨烯表面形成复合材料[2]。

2 氧化石墨烯与金属复合材料的性能与应用分析

2.1 生物检测及抗菌性能的研究

由于氧化石墨烯具有比表面积大、广谱抗菌和对哺乳动物细胞毒性低等生物特性，氧化石墨烯及其金属复合材料所具有优良的抗菌性能，使其在医用材料、抗菌材料方面都有着潜在应用。同时，表面存在大量的羧基基团的氧化石墨烯还可以作为用来运输带有正电荷的抗癌药物而作为优良的载药分子投入使用。

2.2 表面增强拉曼散射

在对氧化石墨烯与金属粒子复合材料进行拉曼光谱分析并与其他材料进行对比时可以观测到GO/Ag/R6G上所反映的R6G的信号强度是最强的。原因有二，其一为Ag纳米粒子对R6G具有有效吸附性，其二则是GO对R6G的信号检测具有短程的化学增强。同时，即便GO被还原成石墨烯，其表面的含氧官能团并没有完全消失，c=o等基团使得GO/Ag的复合物相比于单纯的GO或Ag溶液具有更强的SERS活性。故而可以作为衬底来进行检测[3]。

2.3 热敏材料

由于GO在光热转换方面的独特性能，利用传统的溶解铸造的方法制备得到含有GO含量约10%的GO/Cd+与聚丙烯腈的复合材料中。使聚丙烯腈的耐热性能获得了大幅度的提高，由原来的200℃的分解温度提高到了400℃以上。氧化石墨烯与金属粒子复合材料的之一性质使得其在工业制取耐热性较差的材料时发挥了较大的作用[4]。

2.4 透明导电薄膜

优异的電学和力学性能使得石墨烯成为新一代的柔性透明导电材料的候选材料。氧化石墨烯是量产石墨烯的最佳材料，但氧化石墨烯还原后导电率较低，其和金属纳米粒子的复合可以大大提高其导电率，并且可以调制导电薄膜的功函，拓展其在电学领域的应用。Tien等人将氧化石墨和Ag纳米粒子复合制备出了方块电阻为93Ω/square，透过率大于78%的较高质量的透明导电薄膜[5]。

2.5 电池新材料的应用

尽管氧化石墨烯的导电性能较石墨烯大大降低，但其在锂电池中同样有巨大的潜能。根据由德克萨斯a & M大学的研究团队领导的分子模拟实验表明，锂离子会暂时粘附到氧化石墨烯上，然后扩散到薄片上的纳米缺陷区域。这延迟了锂离子的通过，足以防止锂在电极上形成的树突沉积。进而使锂电池的使用寿命大大增加。

参考文献

[1] 唐秀之.氧化石墨烯表面功能化修饰[D].北京：北京化工大学， 2012.

[2] 白婵.氧化石墨烯负载金属配合物复合材料的制备及催化应用[D].天津：天津大学化工学院，2014.

[3] 卓其奇.石墨烯及其金属复合物的应用[D].苏州：苏州大学，2013.

[4] 徐洪雷.还原氧化石墨烯-金属/金属氧化物复合物的制备及其性质研究[D].上海，上海应用技术学院，2015.

[5] 郝小龙.氧化石墨烯/ZnO/Ag纳米复合结构的制备及光电性能研究[D].南京：东南大学，2015.