磁性石墨烯复合材料的制备及应用研究进展
引用本文:张阳. 磁性石墨烯复合材料的制备及应用研究进展[J]. 化学试剂，2023, 45(12): 18-25.
DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2023.0463
背景介绍
文章亮点
1.综述了近年来磁性石墨烯复合材料的制备方法及应用研究进展；
2.重点介绍了制备方法的原理、优缺点及符合当下实际的应用实例，并展望了未来的发展方向。
内容介绍
石墨烯是一种由碳原子构成的单层二维物质，具有特殊的二维结构和优异的性能。其高比表面积、优异的化学稳定性、机械性能和光电性能使其成为各研究领域的热点[1,2]。同时，磁性纳米粒子兼具磁效应和纳米效应的特点，使得它们在吸附和固液分离方面具有很大的潜力。通过将石墨烯与磁性纳米粒子结合起来，可以充分发挥二者之间的协同作用，有效克服石墨烯易聚集、磁性纳米粒子易团聚的问题。
1 磁性石墨烯复合材料的制备方法
磁性石墨烯复合材料的制备主要采用物理和化学方法。物理方法包括直接磁化法；化学方法包括水热法、气液界面法、电化学法、化学共沉淀法、溶胶-凝胶法和化学接枝法等。这些方法都能在温和条件下进行，具有可操作性和可控性，可根据需求灵活调节合成条件。
2 磁性石墨烯复合材料的应用
磁性石墨烯复合材料兼具磁性纳米材料和石墨烯的优点，具有优异的机械性能、热稳定性、吸附性、超顺磁性等特点[23]，在新能源、生物医学等领域具有重要的应用。
2.1 新能源领域
2.1.1 锂离子电池
随着电池市场的扩大，锂离子电池已成为满足轻量化、长寿命、快速充电和低成本需求的最佳选择之一。在锂离子电池中，正负极材料的性能直接影响其使用性能和安全性。在负极材料方面，Zhou等[24]通过在石墨烯纳米片之间原位还原氢氧化铁，成功合成了一种柔性交错石墨烯(GNSs)/Fe3O4复合材料作为锂离子电池的负极材料，如图4所示。
2.1.2 钠离子电池
钠离子电池（SIBs）因其低成本和丰富的资源而受到广泛关注，被视为锂离子电池（LIBs）的一种有前景的替代品[26-30]。在可充电钠离子电池中，电极材料对于电池实现高容量和超长循环寿命起着至关重要的作用。
2.1.3 铝离子电池
铝是地壳中含量第三丰富的元素，具有较高的理论比容量，在能源领域具有较为广泛的应用前景。Tu等[36]通过水热法和磷化工艺成功制备了一种Ni2P/rGO磁性纳米片，用作铝离子电池的正极材料。与纯Ni2P相比，Ni2P/rGO磁性纳米复合材料展示出更高的放电容量和更好的循环稳定性，显著提高了铝离子电池的电化学活性和储能能力。
2.1.4 超级电容器
磁性石墨烯复合材料是一种具有独特化学结构和出色性能的材料，被视为理想的超级电容器电极材料。Xia等[37]研究制备了CoFe2O4/石墨烯纳米带，将其作为非对称超级电容器的正极材料。这种复合材料具有优异的磁性、电学和光学性质，并具有较高理论比容量和良好的循环稳定性。
2.2 光催化领域
近年来，光催化技术在废水处理领域得到了广泛应用，被认为是环保高效的技术。Fu等[39]设计了一种简单的策略，利用水热法合成了CuFe2O4-石墨烯异质结构，并成功实现了在可见光照射下高光催化活性的效果。
2.3 生物医学领域
2.3.1 生物传感器
生物传感器是一种用于检测微量生物分子、细胞和DNA等的重要工具。磁性石墨烯复合材料的高导电性、高表面积、良好的生物相容性和可控的磁性等优点，使其能够提高传感器的灵敏度和选择性[40,41]，在生物传感器领域有着广泛的应用前景。
2.3.2 药物靶向治疗
磁性石墨烯纳米载体具有良好的磁性，能够通过外加磁场控制药物的递送。Elham等[46]研究设计了一种基于磁性的靶向多功能抗癌药物载体，通过将姜黄素(Curcumin)、石墨烯量子点(GQDs)、磁性纳米复合材料(Fe3O4)和叶酸(FA)结合，实现了靶向治疗癌细胞的高效性，如图5所示。
2.4 其他领域
2.4.1 微波吸收
2.4.2 吸收重金属离子
3 结语及展望
本文系统总结了近年来国内外磁性石墨烯复合材料的主要制备方法和应用研究进展，列举了部分实验实例，简要说明了不同制备方法的优缺点。此外，针对不同领域的需求，研究人员可以开发新的制备方法、研究新的材料组分、设计新的具有特殊功能的复合材料结构：
（1）通过精确调控石墨烯的结构和磁性纳米颗粒的分散度，进一步优化复合材料的磁性和导电性能，从而提升其在磁性传感器、磁存储器和电磁屏蔽等领域的应用潜力。
（2）通过研发可再生的磁性纳米颗粒和可回收的石墨烯材料，减少材料的环境影响，并提高其在可持续能源领域的应用潜力。
（3）结合石墨烯的导电性和磁性纳米颗粒的磁性，探索磁性石墨烯复合材料的多功能性，拓宽其在电子器件、柔性电子学和智能纳米系统等领域的应用。
