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石墨烯基無(wú)機(jī)納米材料
張乃夫
簡(jiǎn)介
將無(wú)機(jī)材料(金屬納米材料、半導(dǎo)體和絕緣納米材料)分散在石墨烯納米層表面可合成石墨烯基無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料。
由于無(wú)機(jī)納米粒子的存在可使石墨烯片層間距增加到幾個(gè)納米，從而大大減小石墨烯片層之間的相互作用，使單層石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)得以保留，這是通�；瘜W(xué)修飾法難以企及的。因此，用無(wú)機(jī)納米粒子修飾石墨烯片提供了一條阻止石墨烯片團(tuán)聚的嶄新途徑。從另一個(gè)角度看，石墨烯基無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料不但可以同時(shí)保持石墨烯和無(wú)機(jī)納米粒子的固有特性，，而且能夠產(chǎn)生新穎的協(xié)同效應(yīng)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
無(wú)機(jī)納米粒子可減小石墨烯片層間的相互作用, 而石墨烯與特定納米粒子相結(jié)合,使該類(lèi)復(fù)合材料在催化劑、光學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景
目前研究的無(wú)機(jī)納米粒子主要包括金屬納米粒子: Au、Ag、Pd、Pt、Ni、Cu、Ru、Rh; 金屬氧化物納米粒子: TiO2、ZnO、SnO2、MnO2、Co3O4、Fe3O4、NiO、Cu2O、RuO2、SiO2; 硫化物納米粒子: CdS、CdSe。
應(yīng)用前景
由于石墨烯具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)柔韌性、超高的電導(dǎo)率、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性以及巨大的比表面積,石墨烯在納米材料的制備與應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景,將擁有優(yōu)異性能的石墨烯與其他功能納米材料相結(jié)合制備石墨烯基納米復(fù)合材料,是拓展石墨烯應(yīng)用范圍的有效途徑。運(yùn)用于光催化、超級(jí)電容器、對(duì)硝基苯酚(4-NP)催化加氫等領(lǐng)域中。
制備方法
化學(xué)還原法制備
電化學(xué)沉積法制備
熱蒸發(fā)法制備
水熱法制備
溶膠凝膠法制備
化學(xué)還原法制備
化學(xué)還原法是目前制備石墨烯基金屬納米材料較常用的方法。一些貴金屬的前驅(qū)體, 如HAuCl4、AgNO3、K2PtCl4 和H2PdCl6 可被抗壞血酸、NaBH4等還原劑在石墨烯表面還原。
此外, 金屬氧化物如Cu2O、SnO2、MnO2、NiO等也可通過(guò)化學(xué)還原在GO/rGO 表面生成。如
Xu, Z.; Gao, H.; Guoxin, H., Solution-based synthesis and characterization of a silver nanoparticle–graphene hybrid film. Carbon 2011, 49 (14), 4731-4738.
電化學(xué)沉積法制備
化學(xué)還原法中使用的還原劑和有機(jī)溶劑會(huì)降低石墨烯與納米粒子結(jié)合界面的活性, 從而降低復(fù)合材料的性能, 直接在石墨烯基體電化學(xué)沉積無(wú)機(jī)納米材料是制備石墨烯復(fù)合薄膜一種綠色環(huán)保且高效的方法。
而后隨著氧化石墨烯直接電化學(xué)沉積制備石墨烯工藝的出現(xiàn), 人們發(fā)現(xiàn)可將GO 和金屬離子共沉積制備復(fù)合材料。
熱蒸發(fā)法制備
熱蒸發(fā)法是一種低成本、可規(guī)模化、不使用化學(xué)試劑并且形態(tài)可控的制備石墨烯基無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的方法。如Zhou等利用熱蒸發(fā)法在石墨烯表面沉積了金納米粒子并且研究了石墨烯層數(shù)對(duì)納米金粒子粒徑大小和密度的影響。他們發(fā)現(xiàn)隨著石墨烯層數(shù)的增加, 粒子密度降低而粒徑尺寸增大,這是因?yàn)樵诓煌砻娉练e的金原子擴(kuò)散系數(shù)不同,并且石墨烯表面的自由能與層數(shù)有關(guān), 而層數(shù)控制著石墨烯與熱蒸發(fā)金原子的交互作用從而影響了石墨烯表面對(duì)金納米粒子的吸收、解析和擴(kuò)散。
水熱法制備
水熱法是一種可在高溫固定體積下產(chǎn)生高壓從而制備無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的簡(jiǎn)單方法。例如Wang等利用水熱法制備了Bi2O3/石墨烯納米復(fù)合材料, 該材料在10 A/g 時(shí)比電容達(dá)到了757 F/g。最近Marlinda 等利用水熱法處理含有GO 、Zn(CH3COO)2、NaOH 和氨水的混合液制備出了ZnO 納米棒/石墨烯復(fù)合材料, 其可應(yīng)用在氣體傳感器領(lǐng)域。
溶膠凝膠法制備
溶膠–凝膠法是制備金屬氧化物結(jié)構(gòu)材料和薄膜涂層材料非常有效的一種方法, 其以金屬醇鹽或金屬氯化物作為前驅(qū)體進(jìn)行一系列的水解和縮聚反應(yīng)。此方法已成功制備石墨烯/TiO2 、Fe3O4、SiO2納米復(fù)合材料。
復(fù)合分類(lèi)
石墨烯與鉑系金屬的復(fù)合
石墨烯與金屬Ag的復(fù)合
石墨烯與金屬Au的復(fù)合
石墨烯與TiO2的復(fù)合
石墨烯與硫化物半導(dǎo)體的復(fù)合
石墨烯與鉑系金屬的復(fù)合
用表面積大、導(dǎo)電性好的碳材料負(fù)載納米尺寸的鉑系催化劑可以顯著提高其在質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC) 中的電催化性能。這不僅可以使催化劑表面積最大化，以利于電子的傳遞，而且導(dǎo)電性的支撐材料起到了富集和傳遞電子作用。目前所用的主要支撐材料是炭黑，但由于石墨烯有著更加優(yōu)異的性能，所以被認(rèn)為是更為理想的支撐材料。
石墨烯與金屬Ag 的復(fù)合
Ag 的附著導(dǎo)致薄膜中氧化石墨烯拉曼信號(hào)的增強(qiáng)，其增強(qiáng)程度可以通過(guò)氧化石墨烯片上Ag 納米粒子的數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。
Pasricha等將Ag2 SO4加入含KOH的氧化石墨烯懸浮液中，由于氧化石墨烯上的羥基具有酚的弱酸性，在堿性條件下生成酚鹽陰離子，酚鹽陰離子通過(guò)芳香族親電取代反應(yīng)將電子轉(zhuǎn)移給Ag + ，使Ag + 被還原，生成Ag /GO 復(fù)合物，用肼還原該復(fù)合物得到了Ag /GE 復(fù)合物。
石墨烯與金屬Au的復(fù)合
國(guó)家納米科學(xué)中心的孫連峰等將加熱蒸發(fā)產(chǎn)生的Au 蒸氣沉積在厚度不均勻的石墨烯表面，經(jīng)過(guò)熱處理形成Au /GE 復(fù)合物。他們發(fā)現(xiàn)隨著石墨烯層數(shù)的增加，Au 粒子的尺寸和粒子間的間隙逐漸增大，這對(duì)鑒別不同層數(shù)的石墨烯有著重要意義。
此外，F(xiàn)eng 等用第一原理方法( first-principlesmethods) 研究了Au /GE 復(fù)合物催化氧化CO 的活性，研究顯示Au 原子與石墨烯的相互作用導(dǎo)致其部分填充的d 軌道位于費(fèi)米能級(jí)附近，從而產(chǎn)生了高催化活性。
石墨烯與TiO2的復(fù)合
TiO2因其穩(wěn)定、無(wú)污染的特性而成為最佳的光催化材料之一。由于光激發(fā)TiO2產(chǎn)生的電子空穴對(duì)極易復(fù)合，所以利用石墨烯獨(dú)特的電子傳輸特性降低光生載流子的復(fù)合，從而提高TiO2光催化效率成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。研究表明石墨烯是理想的光催化劑載體。
美國(guó)圣母大學(xué)的Kamat 等將氧化石墨粉末加入TiO2膠體分散液中超聲，得到包裹著TiO2納米粒子的氧化石墨烯懸浮液，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下用紫外光照射懸浮液，得到TiO2 /GE 復(fù)合材料。TiO2作為光催化劑將光電子從TiO2轉(zhuǎn)移至氧化石墨烯片上，紫外光被認(rèn)為起到了還原劑的作用。該法不僅提供了一種氧化石墨烯的紫外光輔助還原技術(shù)，而且為獲得具有光學(xué)活性的半導(dǎo)體/ 石墨烯復(fù)合材料開(kāi)辟了新的路徑。
石墨烯與硫化物半導(dǎo)體的復(fù)合
除了金屬氧化物半導(dǎo)體，石墨烯與金屬硫化物半導(dǎo)體的復(fù)合也是發(fā)展半導(dǎo)體/石墨烯納米復(fù)合材料的一個(gè)重要方向。
上海大學(xué)曹傲能及其合作者用氧化石墨烯和醋酸鎘在二甲亞砜( DMSO) 中一步合成了石墨烯/CdS 量子點(diǎn)納米復(fù)合材料，其中氧化石墨烯是通過(guò)溶劑熱法在DMSO 中還原成石墨烯，DMSO 是反應(yīng)的溶劑和硫源，該復(fù)合物是理想的光電材料。
Li 等利用化學(xué)浴沉積構(gòu)筑了分層的石墨烯/CdS 量子點(diǎn)納米薄膜結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)研究表明石墨烯可以有效地收集和傳輸光生電荷，有望應(yīng)用于下一代太陽(yáng)電池的捕光裝置中。

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《石墨烯基無(wú)機(jī)納米材料ppt》是由用戶huangliling于2016-12-20上傳，屬于高校大學(xué)PPT。

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本文編號(hào)：242698