石墨烯合金复合材料的研究进展 学号.docx

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石墨烯合金复合材料的研究进展学号

石墨烯合金复合材料的研究进

摘要：

石墨烯是单层碳原子以六角形蜂窝状排列的二维材料，其所具有的优越的物理化学特性，使得其成为人们研究的热点。

本文介绍了石墨烯合金复合材料的研究现状，阐述了石墨烯作为负极材料的优越性，展望了石墨烯及其复合复合材料在锂离子电池负极材料中的应用前景目前己有金属及其氧化物、半导体同石墨烯形成的复合材料，在光电转换、能量存储、传感器、电化学催化、光化学催化应用领域有着广阔的应用，并且其应用范围将随着不断地研究而进一步的扩展。

关键词：

石墨烯合金复合材料光电转换光化学催化

Abstract:

Grapheneisasinglelayerofcarbonatomsarrangedinahexagonalhoneycombtwo-dimensionalmaterials,theirsuperiorphysicalandchemicalcharacteristics,makesitaresearchfocus.ThisdescribeshasgraphiteEnealloycompositesofresearchstatus,describedhasgraphiteEneascathodematerialofsuperiority,prospecthasgraphiteeneandcompositecompositesinlithiumionbatterycathodematerialintheofapplicationprospectscurrentlyhimselfhasmetalandoxides,andsemiconductorwithgraphiteEneformedofcomposites,inphotoelectricconversion,andenergystorage,andsensor,andelectrochemicalcatalytic,andlightchemicalcatalyticapplicationareahasbroadofapplication,anditsapplicationrangewillasconstantlytoresearchandfurtherofextended!

Keywords:

Graphne；alloy；composite；photoelectricconversion；photochemicalcatalysis

引言

基于石墨稀的独特结构和特殊性能,使其成为加载金属纳米颗粒以及其他材料的理想模板。

本文用表格形式将已研究出的一些石墨烯合金复合材料的制备方法﹑反应条件﹑特点﹑各个方法的异同点以及各种复合材料的应用领域作一叙述。

图

（1）.石墨稀包裹成富勒稀、卷成CNT、堆操成为石墨块材示意图[1]

论文标题

使用的方法

反应条件

特点

用途

铂基石墨烯燃料电池催化剂的制备、表征及性能研究

采用改进的Hummer法[2]制氧化石墨烯（GO）；通过硼氢化钠还原-冷冻法制备Pt/石墨烯。

N2气氛

Pt/石墨烯有较好的催化活性和较高的电化学稳定性

甲醇燃料电池的催化

半导体/石墨烯复合光催化剂的制备及应用

1.水热/溶剂热法[3]

2.溶液混合法

3.原位生长法

方法一：

水浴加热

方法二：

常温

方法三：

低温（＜100℃）

低碳环保

光催化降解染物、分解氢、还原CO制备有原料

石墨烯-半导体复合材料的设计、制备与性能研究

原位生长法

先在石墨烯上生长Pd晶种,然后使用抗坏血酸还原氯铀酸[4]

氧化活性极高

甲醇的氧化

金属-石墨烯纳米复合催化剂的制备及在化学燃料电池中的应用

电沉积法制备Pt-Au-graphene催化剂[5]

室温

恒电位-0.4V

催化性能高；

甲醇燃料电池的电化学催化剂

石墨烯负载

Pd-M纳米复合材料的制备及电催化性能研究

尿素辅助乙二醇[6]对混合金属盐及氧化石墨烯进行共还原制备

常温常压

具有较高的催化活性和较高的稳定性，减少了贵金属的用量

Pd-Ag在碱性体系中电催化乙醇的氧化

我国科学家成功制备石墨烯铂复合材料

低温等离子体技术

低温氩气等离子体

快速、便捷、环境友好，避免了使用化学还原剂为制备石墨烯贵金属颗粒开辟了新的思路和方法

航天航空、能源环境等领域

石墨烯-半导体复合材料的设计、制备性能研究

光化学还原法

将十八烯基硫醇分子（ODT）组装在RGO表面（RGO起到模板的作用,然后光照还原氯金酸,All纳米颗粒沿着ODT分子生长[7]

电化学活化面积大质量催化活性高

化学燃料电池

石墨烯/尖晶石LiMn2O4纳米复合材料制备及电化学性能

采用溶胶凝胶法和还原氧化石墨法制备尖晶石LiMn2O4纳米晶和石墨烯纳米片，再采用冷冻干燥法制备了石墨烯/尖石LiMn2O4纳米复合材料[8]

首先在100℃下回流，然后在氮气保护下500℃灼烧2h再加热至80℃，然后在120℃烘干约12h。

之后在350℃下灼烧3h冷却后碾磨置于马弗炉中750℃灼烧12h

相比纯尖晶石LiMn2O4样品，其具有更高比容量和优良循环性能，显著改善LiMn2O4的导电性

化学电池

金属-石墨烯纳米复合材料在电子转移及光电转换中的应用研究

化学还原法

常温常压

石墨烯金属纳米离子复合材料在具有非常高的电子传导性

光、电催化、电化学太阳能电池等领域

石墨烯铝基复合材料的制备及其性能

用氧化石墨烯胶体中加入CuSO4并还原的方法制备石墨-Cu660~720℃温度区间[9]

660~720℃

增大了密度，提高了石墨烯与金属熔体间的润湿性，首次采用搅拌加入石墨烯-Cu

工业生产的各个领域

CoB合金与

Co一石墨烯复合材料的球磨制备和电化学性能研究

高能球磨法（600、800、900rpm）[10]

常温常压

活化性能好

新型化电池的制备

基于石墨烯的材料化学进展

银镜反应

以氧化石墨烯为载体利用银镜反应制备[11]

制得的纳米银膜柔韧性好、稳定性高、分散性良好

应用于液相中

半导体/石墨烯复合光催化剂的制备及应用

1.水热/溶剂热法[3]

2.溶液混合法

3.原位生长法

方法一：

水浴加热

方法二：

常温

方法三：

低温（＜100℃）

低碳环保

光催化降解染物、分解氢、还原CO制备有原料

典型的石墨烯合金复合材料的研究

1、Co-石墨烯复合材料

Co-石墨烯复合材料是采用高能球磨法制备的，通过XRD、SEM、电池控制测试系统、循环伏安等测试方法探讨了该材料的电化学性能，研究结果如下：

1.1在400rpm转速下材料的复合效果最佳，图2列出了400rpm转速下球磨的系列Co-石墨烯复合材料电极的活化性能曲线，可以看出，复合材料在前5个充放电循环周期就能达到最大放电比容量，材料的活化性能较好。

图

（2）

图

（2）.400rpm转速下球磨的系列Co-石墨烯复合材料电极的活化性能曲线[12]

1.2不同转速下球磨的Co-石墨烯系列复合材料电极的最大放电比容量如图3：

随着Co含量的增加，复合材料的高倍率放电能力逐步先增加后降低；Co石墨烯质量比从1:

1时的680mAh/g，增加到Co石墨烯比为6:

1时的900mAh/g[13]；随着Co含量的继续增加，复合材料的最大放电比容量又逐渐下降，降低到Co与石墨烯比例为8:

1时的768mAh/g。

在Co与石墨烯比例为5:

1时，复合材料的高倍率放电能力最佳，材料的高倍率放电能力出现最值（83.62%），且随放电电流密度变化材料的高倍率放电能力变化不大，该成分复合材料具有最佳的高倍率放电性能。

图（3）

图（3）不同转速下球磨的系列Co-石墨烯复合材料电极的最大放电比容量

2、Au-石墨烯复合材料

Au-石墨烯复合材料通过简单易行的电化学沉积法制得，该复合材料在燃料电池和生物电催化等相关领域有着广阔的应用前景。

利用循环伏安法对Au-graphene复合材料的电催化性能进行研究，结果表明：

与单独的Au纳米粒子和graphene相比，Au-graphene纳米复合催化剂的电催化活性更高，在电催化过程中,Au纳米粒子和gmphene起到了协同催化作用，主要如下：

2.1氧气的电催化还原反应

氧气还原反应在化学反应在诸多方面都具有重要的实际应用价值。

利用循环伏安法（CV）[16]研究了Au-graphene纳米复合催化剂在0.5mol/LH2S04溶液中对氧气还原反应的催化性能。

CV法分别研究并比较了裸GC电极、graphene/GC电极、Au/GC电极和Au-graphene/GC电极在相同条件下对氧气还原反应的催化性能。

图4A为裸GC电极在N2饱和（曲线a）和空气饱和（曲线b）H2SO4溶液中的CV响应，图4B为graphene/GC电极的CV响应,从图中可以看出，石墨烯对氧气还原反应没有明显的电催化活性。

图4C为Au/GC电极的CV响应，从曲线a可以看出，在N2饱和条件下，仍然没有出现任何氧化还原峰,而在空气饱和条件下（曲线b），出现了明显的还原峰，表明沉积到GC电极表面的Au纳米颗粒对氧气还原反应有明显的电催化活性。

Au-graphene/GC电极在空气饱和的H2SO4溶液中也出现了明显的还原峰，。

同时，Au-graphene/GC电极对氧气还原反应的电流强度为Au/GC电极的四倍多，上述结果表明,在催化氧气还原过程中，Au-石墨烯复合材料具有高效的催化作用。

图（4）.裸GC电极在N2饱和（曲线a）和空气饱和（曲线b）H2SO4溶液中的CV响应

2.2葡萄糖的电催化氧化反应

葡萄糖的检测在许多领域都有着重要的意义，如：

血糖检测、废水处理、食品与纺织业、环境检测等。

Au纳米颗粒本身对葡萄糖氧化有着良好的电催化活性,同时,Au纳米颗粒可以均一地分散到石墨炼表面,为葡萄糖的氧化提供了更多的活性位点，所以Au-graphene复合催化剂对其有着很高的电催化活性。

3、Pt-Au-石墨烯复合材料

利用电沉积方法把Pt-Au纳米结构沉积到石墨稀表面，制备了Pt-Au-graphene复合材料，该材料是一种高效的电化学催化剂，有望应用于燃料电池等相关领。

不同Pt/Au原子比的Pt-Au-graphene纳米催化剂在O2饱和0.5mol/LH2SO4溶液中的极化曲线如图5所示。

从曲线a可以看出，在graphene/GC电极表面没有任何响应，在该电势范围内石墨稀对O2还原反应没任何催化性能。

而对于Au和Pt纳米催化剂，02还原反应的起始电位分别为0.45V和0.78V（曲线b和C），质量电流密度分别为1.7mA和6.6mA,表明对于氧气还原反应，Pt-graphene纳米催化剂显示出比Au-graphene催化剂更高的催化活性。

对于Pt-Au-graphene纳米催化剂，在0.6V之前,显示出扩散控制特征，而在0.6V-1.0V之间为扩散-动力学混合控制区域（曲线d-g）。

与Pt-graphene催化剂相比，Pt-Au-graphene催化剂对于氧气还原反应的起始电位都向正电位移动，且还原电流也要比Pt-graphene催化剂大得多，表明在催化过程中，Au起到了协同的催化作用。

Au-graphene和Pt-graphene的半波电位分别为0.33V和0.54V，而对于不同Pt/Au原子比的Pt-Au-graphene催化剂，表明Pt-Au-graphene对氧气还原反应显示更好的电催化活性。

图（5）.不同Pt/Au原子比的Pt-Au-graphene纳米催化剂在O2饱和0.5mol/LH2SO4溶液中的极化曲线[16]

展望

综上所述，近年来己经有Co、AU、Ag、pd、pt、Cu、Sn、Sb及它们的合金与石墨稀形成各种性能优异的复合材料，这些材料无论在理论还是实验研究方面，均已展示出重大的科学意义和应用价值，将会在不同领域得到重大应用而改变我们的生活。

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