石墨烯具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如超高的導(dǎo)電率、大的比表面積、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性等。 石墨烯基復(fù)合材料已成為研究熱點(diǎn)。 石墨烯基復(fù)合材料主要包括與金屬及其氧化物的復(fù)合材料、與聚合物的復(fù)合材料等。由于金屬材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、高耐腐蝕性、優(yōu)異的電熱性能和優(yōu)異的加工性能，石墨烯/金屬納米復(fù)合材料已被廣泛研究。 它們已廣泛應(yīng)用于化學(xué)催化、超級(jí)電容器和柔性導(dǎo)電薄膜等應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣闊的前景。

1、石墨烯/金屬納米復(fù)合材料的制備方法

將石墨烯與金屬納米材料結(jié)合，不僅可以保持石墨烯的優(yōu)異性能，還可以利用兩者之間的協(xié)同效應(yīng)，使得石墨烯/金屬納米復(fù)合材料的性能優(yōu)于單獨(dú)石墨烯和金屬納米材料。 性能方面，利用石墨烯較大的比表面積負(fù)載功能性金屬納米粒子，如在石墨烯片之間插入金屬納米粒子Au、Ag和Ru，可以減少石墨烯片之間的分子間相互作用力，有效避免石墨烯片的聚集，增強(qiáng)金屬納米粒子的活性，提高復(fù)合材料的綜合性能。

圖1 石墨烯/金屬納米復(fù)合材料示意圖

目前石墨烯/金屬納米復(fù)合材料的制備方法主要有自組裝法、化學(xué)還原法、水熱法、電化學(xué)沉積法和熱蒸發(fā)法等。

1. 自組裝方法

自組裝方法是將石墨烯分散體與預(yù)先制備好的或市售的金屬納米材料混合，通過共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵（范德華力、靜電力、分子間力、氫鍵等）結(jié)合起來(lái)。 一種制備石墨烯/金屬納米復(fù)合材料的方法。 該方法需要對(duì)石墨烯或金屬納米材料進(jìn)行修飾，以增強(qiáng)兩者之間的相互作用。

研究人員采用光化學(xué)輔助自組裝方法制備石墨烯/Au納米復(fù)合材料。 首先，以功能化石墨烯為原料，用正十八烷硫醇進(jìn)行改性。 然后將其加入乙醇溶液中，超聲分散，加入氯金酸，通過光化學(xué)還原制備復(fù)合材料。 通過正十八烷硫醇分子與Au粉顆粒之間的相互作用，可以有效控制Au粉顆粒在石墨烯表面的排列和取向，生成特定的Au納米鏈，從而控制石墨烯/Au納米復(fù)合材料的制備。

圖2 光化學(xué)輔助自組裝法制備石墨烯/Au納米粉體粒子復(fù)合材料的工藝流程圖

自組裝方法的優(yōu)點(diǎn)是與原位生長(zhǎng)方法相比，可以制備粒徑和負(fù)載量易于控制、分布高度均勻的石墨烯納米復(fù)合材料。 自組裝方法還適用于Au、Ag等納米粉體顆粒與石墨烯的結(jié)合，可以提高其光催化活性。

2、化學(xué)還原法

化學(xué)還原是石墨烯/金屬納米復(fù)合材料最常見的制備方法。 其工藝是將石墨烯和金屬配置成石墨烯溶液和金屬鹽溶液，將兩者混合，然后添加相應(yīng)的還原劑，通過氧化還原的方法制備石墨烯/金屬納米復(fù)合材料。 金屬氧化物的種類很多，通過化學(xué)還原可以有效地還原不同種類的金屬。

研究人員通過化學(xué)還原方法將銀納米顆粒負(fù)載在石墨烯片上，可控制備石墨烯/銀納米復(fù)合材料。 該工藝是將石墨烯分散在蒸餾水中，并經(jīng)過超聲波處理，形成穩(wěn)定的石墨烯懸浮液。 在磁力攪拌下將硝酸銀水溶液逐漸加入到懸浮液中，然后將檸檬酸鈉加入到混合物中并超聲處理，并通過離心機(jī)。 離心分離黑色固體產(chǎn)物，用蒸餾水和乙醇洗滌，最后真空干燥，得到石墨烯負(fù)載銀納米粒子復(fù)合材料。

圖3 化學(xué)還原法制備石墨烯/Ag納米粉體粒子復(fù)合材料的工藝流程圖

3、水熱法

水熱法是指以水為溶劑，在密閉壓力容器中，在高溫高壓下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。 采用水熱法制備三維石墨烯/Au復(fù)合薄膜。 首先，對(duì)Au基板進(jìn)行預(yù)處理，并將其浸入4-氨基苯硫酚溶液中，形成自組裝單層基板。 將氧化石墨烯溶液與不同濃度的氯金酸溶液混合。 混合，然后將修飾后的Au基底垂直放置在室溫下的溶液中，然后在高壓釜中加熱，水熱生長(zhǎng)后用蒸餾水徹底清洗，并將Au基底冷凍干燥以獲得三維石墨烯。 /Au復(fù)合膜。 所制備的三維石墨烯/Au復(fù)合薄膜具有比表面積大、導(dǎo)電性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、基體結(jié)合強(qiáng)度強(qiáng)等優(yōu)異性能，在電分析、電催化和電化學(xué)傳感方面具有廣泛的潛在應(yīng)用價(jià)值。 。

圖4 水熱法制備石墨烯/Au納米復(fù)合材料工藝流程圖

水熱法的優(yōu)點(diǎn)是：制備的石墨烯/金屬納米復(fù)合材料具有顆粒純度高、分散性好、晶形良好且可控、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，有利于復(fù)合材料的研究。

4.電化學(xué)沉積法

電化學(xué)沉積是一種更為有效的制備方法。 與傳統(tǒng)的化學(xué)還原方法相比，化學(xué)還原方法中使用的還原劑和有機(jī)溶劑會(huì)降低石墨烯與金屬納米粒子之間的結(jié)合界面的活性，從而降低復(fù)合材料的性能。 電化學(xué)沉積是一種在石墨烯基底上直接沉積金屬納米材料的綠色、環(huán)保、高效的方法。

研究人員通過電化學(xué)沉積的方式直接將石墨烯片溶解到鍍鎳溶液中，添加表面活性劑，攪拌制備鎳/石墨烯復(fù)合材料。 當(dāng)石墨烯的添加量為0.05g/L時(shí)，由于兩者之間的相互作用，Ni/石墨烯復(fù)合材料的彈性模量達(dá)到4.6 GPa，硬度達(dá)到4.6 GPa，強(qiáng)度顯著提高。

圖5 電化學(xué)沉積石墨烯/金屬納米復(fù)合材料裝置示意圖

5、熱蒸發(fā)法

熱蒸發(fā)法是一種簡(jiǎn)單、易操作、高效、低成本的制備方法。 通過加熱使材料蒸發(fā)并沉積在基材上的過程。 采用熱蒸發(fā)法在石墨烯表面沉積金納米顆粒。 熱沉積到 n 層石墨烯上的 Au 與這些基底的相互作用不同，表明石墨烯具有不同的表面特性，從而導(dǎo)致在 n 層石墨烯上形成 Au 納米顆粒。 厚度相關(guān)的形態(tài)，可用于以高通量和空間分辨率識(shí)別和區(qū)分石墨烯。

等離子體法與熱蒸發(fā)法類似。 中國(guó)科學(xué)院等離子體研究所的研究人員利用H2/Ar混合氣體等離子體成功制備了納米零價(jià)鐵/石墨烯復(fù)合材料，并將其應(yīng)用于易溶放射性元素和變價(jià)態(tài)金屬離子的生產(chǎn)。 吸附和還原。

圖6 納米零價(jià)鐵/石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖（來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院等離子體研究所）

2.石墨烯/金屬納米復(fù)合材料的應(yīng)用

石墨烯具有超高的導(dǎo)電率、大的比表面積和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，而金屬材料則具有高比強(qiáng)度、高比模量、高耐腐蝕性、優(yōu)異的電熱性能和優(yōu)異的催化活性。 石墨烯與金屬納米材料復(fù)合所獲得的優(yōu)異性能，在光學(xué)、催化、生物技術(shù)和納米光電子領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景。

1.電化學(xué)領(lǐng)域

Ni/石墨烯復(fù)合材料具有高比電容，作為超級(jí)電容器電極材料具有廣闊的應(yīng)用前景。 制備的Ni/還原氧化石墨烯在空氣中退火后，電化學(xué)性能遠(yuǎn)高于單一組分。 鎳和石墨烯材料。 Pt/石墨烯納米復(fù)合材料對(duì)甲醇氧化和氧還原具有良好的電催化活性，可用作燃料電池、氣相催化和傳感器的高性能催化劑。

2.納米光電領(lǐng)域

由于電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)，Au納米粒子的修飾顯著提高了石墨烯的導(dǎo)電率。 此外，石墨烯/Au納米粒子復(fù)合材料還表現(xiàn)出Au納米粒子的局域表面等離子體共振特性。 這項(xiàng)工作對(duì)未來(lái)會(huì)有幫助。 光電器件的應(yīng)用。

3、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

石墨烯/Au復(fù)合材料具有高比表面積，并用甲氧基聚乙二醇進(jìn)一步修飾以獲得低細(xì)胞毒性。 作為藥物載體，在新血相容性和生理環(huán)境中具有最佳的性能。 分散。 目前其裝載的抗癌藥物主要為鹽酸阿霉素、枸櫞酸他莫昔芬和喜樹堿。 未來(lái)，石墨烯復(fù)合材料可應(yīng)用于蛋白質(zhì)、基因藥物靶向運(yùn)輸和治療等更深層次的方面。

4、柔性觸摸屏

目前，石墨烯/金屬納米復(fù)合材料作為柔性透明導(dǎo)電薄膜顯示出巨大的應(yīng)用潛力。 石墨烯納米銀線復(fù)合柔性透明導(dǎo)電薄膜已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。