石墨烯催化材料的應(yīng)用

1、石墨烯催化材料的應(yīng)用 厲得樓厲得樓馮如恒馮如恒( (演講演講) )周銀輝周銀輝張晨張晨石墨烯簡(jiǎn)介石墨烯簡(jiǎn)介1.石墨烯的發(fā)展歷程石墨烯的發(fā)展歷程石墨石墨,作為碳的同素異形體，是一種深灰色有金屬光澤而不透明的細(xì)作為碳的同素異形體，是一種深灰色有金屬光澤而不透明的細(xì)鱗片狀固體。石墨屬于混合型晶體，既有原子晶體的性質(zhì)又有分子鱗片狀固體。石墨屬于混合型晶體，既有原子晶體的性質(zhì)又有分子晶體的性質(zhì)。質(zhì)軟，有滑膩感，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。熔沸點(diǎn)高。晶體的性質(zhì)。質(zhì)軟，有滑膩感，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。熔沸點(diǎn)高。石墨分子中每一個(gè)碳原子只與其他三個(gè)碳原子以較強(qiáng)的力結(jié)合，形石墨分子中每一個(gè)碳原子只與其他三個(gè)碳原子以較強(qiáng)的力

2、結(jié)合，形成了一種層狀的結(jié)構(gòu)，而層與層之間的結(jié)合力較小。成了一種層狀的結(jié)構(gòu)，而層與層之間的結(jié)合力較小。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈海姆和康斯坦丁海姆和康斯坦丁諾沃肖洛諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”為由，共同獲得為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

3、目前據(jù)測(cè)試，它具有優(yōu)異的潤(rùn)滑和保護(hù)性能，超薄、非凡的導(dǎo)電、目前據(jù)測(cè)試，它具有優(yōu)異的潤(rùn)滑和保護(hù)性能，超薄、非凡的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性等特性，在機(jī)械潤(rùn)滑、海水微生物防腐、超級(jí)電容、導(dǎo)熱性等特性，在機(jī)械潤(rùn)滑、海水微生物防腐、超級(jí)電容、LFP鋰鋰電池、復(fù)合材料等領(lǐng)域具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，具有極為廣闊的應(yīng)用電池、復(fù)合材料等領(lǐng)域具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，具有極為廣闊的應(yīng)用前景，被譽(yù)為前景，被譽(yù)為21世紀(jì)的世紀(jì)的“材料之王材料之王”，已被國(guó)家列為，已被國(guó)家列為“十三五十三五”規(guī)規(guī)劃重點(diǎn)新材料。劃重點(diǎn)新材料。2. 石墨烯制備方法石墨烯制備方法 化學(xué)氧化法：先用強(qiáng)氧化劑（濃硝酸，濃硫酸，鐵系氧化劑等）化學(xué)氧化法：先用強(qiáng)氧化劑（

4、濃硝酸，濃硫酸，鐵系氧化劑等）將石墨氧化成氧化石墨，氧化過(guò)程即在石墨層間穿插一些含氧官能將石墨氧化成氧化石墨，氧化過(guò)程即在石墨層間穿插一些含氧官能團(tuán)，從而加大了石墨層間距，然后經(jīng)超聲處理一段時(shí)間之后，就可團(tuán)，從而加大了石墨層間距，然后經(jīng)超聲處理一段時(shí)間之后，就可形成單層或數(shù)層氧化石墨烯，再用強(qiáng)還原劑（水合肼等）將氧化石形成單層或數(shù)層氧化石墨烯，再用強(qiáng)還原劑（水合肼等）將氧化石墨烯還原成石墨烯。墨烯還原成石墨烯。 化學(xué)插層法：化學(xué)插層法：通過(guò)在石墨通過(guò)在石墨層與層之間插入一些分子、離子層與層之間插入一些分子、離子、原子基團(tuán)，從而加大石墨的層、原子基團(tuán)，從而加大石墨的層間距，削弱其層與間距，削弱其

5、層與 層之間的范層之間的范德華力，然后再剝離石墨層間化德華力，然后再剝離石墨層間化合物來(lái)制備石墨烯。合物來(lái)制備石墨烯。石墨烯催化材料的應(yīng)用石墨烯催化材料的應(yīng)用 石墨烯由于其大的比表面積、優(yōu)異的導(dǎo)熱、導(dǎo)電以石墨烯由于其大的比表面積、優(yōu)異的導(dǎo)熱、導(dǎo)電以及機(jī)械特性，與無(wú)機(jī)納米粒子復(fù)合能產(chǎn)生性質(zhì)優(yōu)異的復(fù)及機(jī)械特性，與無(wú)機(jī)納米粒子復(fù)合能產(chǎn)生性質(zhì)優(yōu)異的復(fù)合材料。在石墨烯上負(fù)載的納米粒子同時(shí)也削弱了其片合材料。在石墨烯上負(fù)載的納米粒子同時(shí)也削弱了其片層之間的層之間的作用，從而能夠制備高度分散的復(fù)合材作用，從而能夠制備高度分散的復(fù)合材料。通常，石墨烯基可以和金屬、金屬氧化物、聚合物、料。通常，石墨烯基可以和金

6、屬、金屬氧化物、聚合物、生物材料以及其它碳納米材料等復(fù)合成具有新特性的復(fù)生物材料以及其它碳納米材料等復(fù)合成具有新特性的復(fù)合材料，主要有無(wú)金屬石墨烯基催化劑、石墨烯金屬合材料，主要有無(wú)金屬石墨烯基催化劑、石墨烯金屬金屬氧化物催化劑、功能化石墨烯復(fù)合物的應(yīng)用。金屬氧化物催化劑、功能化石墨烯復(fù)合物的應(yīng)用。1.無(wú)金屬石墨烯基催化劑無(wú)金屬石墨烯基催化劑 在過(guò)去的十年中，人們一直在發(fā)展用不含金屬的碳基催化劑替在過(guò)去的十年中，人們一直在發(fā)展用不含金屬的碳基催化劑替代含金屬碳基催化劑，同時(shí)取得了很大進(jìn)步。官能化的碳材料（含代含金屬碳基催化劑，同時(shí)取得了很大進(jìn)步。官能化的碳材料（含有氧、氮或其它的表面基團(tuán)）相比

7、未官能化的碳材料更適合作為催有氧、氮或其它的表面基團(tuán)）相比未官能化的碳材料更適合作為催化材料。化材料。GOGO具有豐富的官能團(tuán)，因此具有豐富的官能團(tuán)，因此GOGO在溫和條件下也表現(xiàn)出較高在溫和條件下也表現(xiàn)出較高的反應(yīng)活性，而還原氧化石墨烯因還原后缺少足夠數(shù)量的活性位點(diǎn)，的反應(yīng)活性，而還原氧化石墨烯因還原后缺少足夠數(shù)量的活性位點(diǎn)，反應(yīng)活性較弱。反應(yīng)活性較弱。 一方面，石墨烯缺陷較少，石墨基底面并不活潑，唯一的活性一方面，石墨烯缺陷較少，石墨基底面并不活潑，唯一的活性位點(diǎn)存在于石墨烯片層邊緣的不飽和碳原子上。催化活性來(lái)源于它位點(diǎn)存在于石墨烯片層邊緣的不飽和碳原子上。催化活性來(lái)源于它邊緣上的離域電子

8、，可以催化絡(luò)合反應(yīng)。邊緣上的離域電子，可以催化絡(luò)合反應(yīng)。 另一方面，烴的裂化和的脫氫一直使用官能化的碳納米材料，另一方面，烴的裂化和的脫氫一直使用官能化的碳納米材料，如碳納米管，富勒烯等，石墨烯在未來(lái)有可能因其獨(dú)特的優(yōu)越性而如碳納米管，富勒烯等，石墨烯在未來(lái)有可能因其獨(dú)特的優(yōu)越性而替代這些碳材料。替代這些碳材料。 石墨烯與金屬粒子的復(fù)合較為常見(jiàn)，在大多數(shù)復(fù)合材料的文獻(xiàn)中，石墨烯與金屬粒子的復(fù)合較為常見(jiàn)，在大多數(shù)復(fù)合材料的文獻(xiàn)中，與石墨烯常復(fù)合的貴金屬納米粒子包括與石墨烯常復(fù)合的貴金屬納米粒子包括Au、Pt、Pd、Ag、Ru、Rh和和Lr，此外，非貴金屬，此外，非貴金屬Fe、Cu、Ni、Co等非

9、貴金屬也用到了石墨等非貴金屬也用到了石墨烯金屬的復(fù)合材料制備中，下表列出了一些常見(jiàn)石墨烯負(fù)載金屬烯金屬的復(fù)合材料制備中，下表列出了一些常見(jiàn)石墨烯負(fù)載金屬的例子，并簡(jiǎn)介了其負(fù)載方法及應(yīng)用。的例子，并簡(jiǎn)介了其負(fù)載方法及應(yīng)用。2. 石墨烯金屬金屬氧化物催化劑石墨烯金屬金屬氧化物催化劑2.1 石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料 迄今為止已經(jīng)合成了多種石墨烯基金屬氧化物納米材料，包括迄今為止已經(jīng)合成了多種石墨烯基金屬氧化物納米材料，包括與與TiO2、ZnO、MnO2、CeO2、Fe3O4、ZnFeO4、BiWO6等復(fù)等復(fù)合形成的石墨烯金屬氧化物材料。下表列出了一些常見(jiàn)石墨烯負(fù)合形成的石墨烯金屬氧化物材

10、料。下表列出了一些常見(jiàn)石墨烯負(fù)載金屬氧化物的例子，并簡(jiǎn)介其負(fù)載方法及應(yīng)用載金屬氧化物的例子，并簡(jiǎn)介其負(fù)載方法及應(yīng)用。2.2 石墨烯金屬氧化物石墨烯金屬氧化物3. 功能化石墨烯復(fù)合物功能化石墨烯復(fù)合物 功能化石墨烯復(fù)合材料在催化方面的應(yīng)用相較于無(wú)金屬石墨烯功能化石墨烯復(fù)合材料在催化方面的應(yīng)用相較于無(wú)金屬石墨烯基材料和石墨烯金屬金屬氧化物材料發(fā)展滯后，但近年來(lái)功能基材料和石墨烯金屬金屬氧化物材料發(fā)展滯后，但近年來(lái)功能化石墨烯復(fù)合材料在催化方面的應(yīng)用得到了越來(lái)越多的關(guān)注。其涉化石墨烯復(fù)合材料在催化方面的應(yīng)用得到了越來(lái)越多的關(guān)注。其涉及催化方面已經(jīng)涵蓋光催化、電催化、及催化方面已經(jīng)涵蓋光催化、電催化、SuzukiSuzuki、催化加氫、氧化等、催化加氫、氧化等反應(yīng)。反應(yīng)。 Maryam Jahan等將氧化石墨烯等將氧化石墨烯(GO)和銅為金屬有機(jī)骨架中心和銅為金屬有機(jī)骨架中心的組件制成的復(fù)合材料在個(gè)重要電催化反應(yīng)：析氫反應(yīng)的組件制成的復(fù)合材料在個(gè)重要電催化反應(yīng)：析氫反應(yīng)(HER)、析氧反應(yīng)析氧反應(yīng)(OER)和氧還原反應(yīng)和氧還原反應(yīng)(ORR)都表現(xiàn)出良好的性能。都表現(xiàn)出良好的性能。GO和和MOF之間的協(xié)同相互作用提高了電荷輸送能力，穩(wěn)