石墨烯/金属纳米复合材料制备及研究进展

材料的制备方法，包括自组装法、化学还原法、水热法、电化学沉积法和热蒸发法等，以及其在化学催化、超级电容器和导电薄膜等方面的应用研究进展，指出了石墨烯与金属纳米复合材料研究所存在的问题.

关键词： 石墨烯； 复合材料； 制备方法； 研究进展

中图分类号： TB 333文献标志码： A

Preparation of Graphene/Metal Nanocomposites and

Its Research Progress

XU Peng，QIU Hanxun，SONG Lingzhi，YAN Tinglong，LI Xingjuan

（School of Materials Science and Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： Graphene has high thermal conductivity，excellent mechanical properties and good chemical stability.All these properties make graphene attract a lot of attention in recent years.In this paper，the preparation methods of graphene and metal nanocomposites are reviewed.The methods include selfassembly，chemical reduction and electrochemical deposition.In addition，the advances in application of graphene and metal nanocomposites are also reviewed.It has a potential value in chemical catalysis，supercapacitors and conductive films.Furthermore，the problems of graphene and metal nanocomposites are pointed out.

Keywords： graphene； composite material； preparation method； research progress

石墨烯是由單层碳以六元环状紧密排列而形成的二维蜂窝状的点阵结构，在目前所发现的材料中属于最薄的二维材料[1].石墨烯的结构使其可以构成不同的石墨材料，如零维的富勒烯可由其翘曲形成，一维的碳纳米管可由其卷曲形成[2-3]，而三维的石墨特殊结构可由其堆叠构成.单层石墨烯的厚度仅为0.335 nm，碳和碳原子间以共价键结合，键长为0.142 nm[4]，这种独特的结构使其具有较高的强度，达到了130 GPa[5]，是普通钢铁的100多倍；由于其原子间作用力强，使得内部的电子抗干扰能力较强，电子在传输中不易发生散射，其零带隙、电子空穴迁移率可以达到15 000 cm2·V-1·S-1[6]，约为商用硅片迁移率的10倍；此外，它还具有优良的导热性能，Balandin等通过非接触光学方法测量到单层石墨烯的室温热传导系数为5 300 W·m-1·K-1[7]，比金刚石和CNTs的热导率高，更是十倍于室温下铜的热导率.在垂直于平面方向上的单层石墨烯中，相邻碳原子上剩余未经杂化的Pz轨道的电子，通过共价键的作用构成大π键.而石墨烯良好的电学性能则是通过未成键的π电子在晶体中自由移动获得的.同时，其还具有室温量子霍尔效应[8]及室温铁磁性[9]等特殊性质.石墨烯独特的二维结构使其具有优良的电子学[10]、力学[5]、光学[7]、热学及机械性能[11]，吸引了众多学者的关注.

近年来，随着对石墨烯独特的物理化学性质如超高的电导率、较大的比表面积以及优良的热稳定性等，不断地深入研究，逐渐以石墨烯为基础，与其他材料复合形成石墨烯基复合材料，主要包括与金属及其氧化物复合，以及与聚合物复合等.石墨烯基复合材料主要包括石墨烯/聚合物复合材料和石墨烯/金属及其氧化物复合材料等.金属材料因为具有高比强度、高比模量、高耐蚀性、优异的电热性能及优良的加工性能得到了广泛的研究和应用.但是，随着科学技术的迅速发展，特别是一些特殊环境中，金属材料已经不能满足这种极端条件下的高要求.此外，尽管国内的有色金属储量较大，但像Al、Cu等金属需求量较大，供不应求，这就限制了某些行业的发展速度.因此，为了减少金属用量，降低成本以及获得更优的综合性能，迫切寻求合适的材料与金属复合.将石墨烯与金属纳米材料相结合，除可保持石墨烯的优良性能外，还可以利用两者之间的协同效应，使得最终的石墨烯/金属纳米复合材料表现出比单独的石墨烯和金属纳米材料更优越的性能.如将金属纳米粒子Au[12]，Ag[13]，Ru[14]插入石墨烯片层间，能够减小石墨烯片层间的分子间作用力，有效避免石墨烯片层聚集，从而保持优良的综合性能.目前，石墨烯与金属纳米材料复合研究还有待深入.

第3期徐鹏，等：石墨烯/金属纳米复合材料制备及研究进展有 色 金 属 材 料 与 工 程2017年 第38卷1材料制备方法

目前，制备出的石墨烯/金属纳米复合材料具有优异的性能.利用石墨烯较大的比表面积负载具有功能性的金属纳米粒子，通过两者之间的协同效应从而避免金属纳米粒子之间的团聚，增强了金属纳米粒子的活性，改善了复合材料的综合性能.这类复合材料的制备方法主要包括自组装法[15-17]、化学还原法[18-20]、水热法[21-25]、电化学沉积法[26-29]以及热蒸发法[30]等.