2023年，北京理工大学的韩若愚特别副研究员团队在《Carbon》上发表了题为“One-step synthesis of structural-controlled metal-graphene nanocomposites via flash atomization and plasma-assisted reactions of electrical explosion”的论文，研究了一种通过电爆炸法合成结构可控的金属-石墨烯纳米复合材料的新方法，揭示了电爆炸过程中产生的冲击波和等离子体辐射在不同条件下对纳米复合材料结构形成的影响。研究结果表明，通过调整电压条件，可以有效控制纳米复合材料的结构形态，从表面修饰到核壳结构再到复杂的混合纳米颗粒，为金属-石墨烯纳米复合材料的可控合成提供了新的思路，具有重要的应用前景。
研究背景
1.金属-石墨烯纳米复合材料的应用前景：金属-石墨烯纳米复合材料因其在催化、电极、超级电容器等多个领域的广泛应用而备受关注。
2.传统方法的局限性：现有的合成方法往往存在耗时长、步骤复杂的问题，且在材料结构的控制方面存在不足。
3.一步法合成的创新性：为了克服这些局限性，本文研究通过电爆炸和等离子体辅助反应，提出了一种“一步法”合成结构可控的金属-石墨烯纳米复合材料的新方法。
研究方法
1.电爆炸技术的应用：研究采用了电爆炸技术，将金属丝置于含有石墨粉末的密闭管内，通过施加高压脉冲电流使金属丝发生电爆炸，生成高温等离子体，与石墨相互作用，形成纳米复合材料。
2.不同电压条件的实验设计：实验中采用了三种不同的电压条件（9.0 kV、12.9 kV、15.8 kV），以探讨不同条件下合成产物的差异。
3.多种表征手段的使用：通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能谱分析（EDS）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等多种技术，对合成的纳米复合材料进行详细的形貌、结构和成分分析。
图1. 实验装置和电路图
研究结果
1.表面修饰结构的形成（9.0 kV）：在低电压条件下，主要形成了铜纳米颗粒装饰的石墨烯纳米片。
2.核壳结构的形成（12.9 kV）：随着电压的增加，合成了以石墨烯包覆金属核的核壳结构，表明更强的机械效应和热效应促进了材料的变形与包覆。
3.混合纳米颗粒结构的形成（15.8 kV）：在最高电压条件下，产生了包含洋葱状碳颗粒的混合纳米颗粒结构，说明此时的等离子体反应更加剧烈，导致了更复杂的结构形成。
展望
1.对结构形成机制的揭示：本文首次系统总结了通过电爆炸法合成结构可控的金属-石墨烯纳米复合材料，并揭示了其结构形成的物理机制。
2.未来研究方向：未来研究将致力于进一步优化核壳结构中石墨烯层数的控制，并对这些纳米复合材料的功能性进行深入表征，如微波吸收性能、耐磨性能和电催化性能等。
3.应用前景广阔：本研究为金属-石墨烯纳米复合材料的可控合成提供了新方法，并在材料的实际应用中具有广泛的潜在价值。
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118296
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