石墨烯基碳催化剂的合成、性能及应用

碳催化已成为一个有前途的催化领域。这个异常的表面形态、孔隙分布、导热性、化学碳材料的惰性、电性能和可再生性使它们适用于各种催化过程，即光催化、电催化、，生物催化和化学催化。因此，关于碳催化描述了控制它们的催化行为。此外，用于制造各种碳多晶型，如活性碳、石墨、富勒烯、玻璃碳、碳黑色、碳纳米管、碳纳米纤维、纳米钻石、碳纳米离子和本章还简要讨论了石墨烯。碳催化剂的范围通过引用实例，也阐明了广泛的领域。 

石墨烯是碳的同素异形体，由紧密结合的碳构成碳原子。石墨烯的结构是六边形晶格。石墨烯显示sp2杂化和约0.345Nm的极薄原子厚度。这个本章讨论石墨烯结构，包括杂化、临界参数单位胞、σ键和π键的形成、电子能带结构、边缘以及石墨烯层的数量和堆叠顺序。非凡的石墨烯的特性是因为π共轭的延伸链导致高电荷迁移率、高电导率和高杨氏模量。到期由于这些诱人的性质，石墨烯受到了广泛的关注。石墨烯，带有键合碳原子结构及其众多复杂结构的独特组合物理性质平衡，对材料科学的未来产生重大影响，电子和纳米技术。石墨烯被转化为石墨烯纳米颗粒，氧化石墨烯纳米粒子；聚合物基石墨烯复合材料和石墨烯纳米带等。一些应用领域包括储能电池和超级电容器、燃料电池和太阳能电池本文讨论了这一代人和一些可能的未来研究方向。 

在过去的几十年里，石墨烯及其衍生物占据了一席之地在材料科学方面。这些碳纳米材料表现出广泛的应用由于其迷人的特点，如高比表面积，化学惰性、惊人的电和热特性、更高的固有迁移率、，无与伦比的光学性能和巨大的机械强度。考虑到无处不在石墨烯在不同行业、不同自顶向下和自下而上的应用方法已经开发出来。本章概述了用于石墨烯及其衍生物的合成，如剥离、展开或碳纳米管的解压缩，电弧放电法，激光烧蚀技术，氧化剥离-氧化石墨烯还原，化学气相沉积，外延生长、模板合成、热解、无衬底合成、总有机物合成和生物方法，突出了这些方法的优势。石墨烯的商业合成也面临着挑战在结论部分进行了论述。 

sp2中键合碳原子的石墨烯二维（维）层杂化态只有1个原子尺度厚。然而，石墨烯可以被延伸沿水平尺寸。交替的双键导致完美与sp2的共轭在六边形结构中表现出杂交（蜂窝状）石墨烯。理论和实验上石墨烯已被测定，在纳米范围内。非同寻常的这种2D材料所展现的机械和电气特性激发了我们的灵感科学家致力于设备制造方法，可以将合成从实验室转移到实验室规模到大规模。它被认为是地球上最坚固的材料，几乎有100种强度是最好的钢材的倍。因为石墨烯只有1个原子尺度石墨烯厚实透明，其表征复杂但至关重要。这个石墨烯中一个原子层的厚度可以通过光来识别造成颜色对比的干扰。因此，基于光学显微镜的方法使石墨烯或其衍生物的鉴定；另一方面，拉曼光谱，对分子键和几何结构敏感的用于石墨烯基材料的质量测定。在本章中，讨论了各种表征技术，使石墨烯和石墨烯基材料（GBM）。 

几个世纪以来，碳及其驱动材料一直是生命和非生命系统的基础，因为它们在光、温度、压力和pH值方面都有惊人的实验表现。碳重量轻，具有电子活性，四个轨道的能量分配相等（2s12px12py12pz1），碳原子一直是自然科学的核心，提供了宝贵的资源，如高级木材、棉花等。因此，金刚石、石墨和石墨烯墨水等碳驱动材料一直吸引着科学家、研究人员和工业界的关注。本章回顾了通过各种分析技术合成和结构研究石墨烯及其衍生物的最新化学方法，这些分析技术提供了有关基本知识的信息，以了解石墨烯和石墨烯基复合材料在各种定性和定量应用中的作用。在这里，已经采用了几种方法通过合成方法对氧化石墨烯进行表面改性，例如超声波，一种避免使用危险化学品的微波辅助合成。此外，还讨论了传统方法，包括各种类型的反应，如亲核反应、亲电反应、缩合反应和环加成反应。这篇综述文章强调了理解2D碳材料的关键点，供研究人员和用户在最初阶段了解石墨烯的化学改性。这篇文章还讨论了有关石墨烯及其氧化物形式的各种碳纳米材料的简要解释。我们已经解释了2D碳材料的合成价值，因此它涵盖了研究人员对石墨烯和相关领域合成方面的大量需求。目前，这种独特的实验被认为是各种应用材料合成领域的里程碑。因此，对具有结构多功能性的化学改性石墨烯材料的综述具有很高的信息量，可以为所需信息和理解提供方便。

近年来，掺杂碳催化剂（如石墨烯基纳米复合材料）的进展，引起了科学界的极大关注社区，因为其广泛的应用领域涉及独特的机械，电气和工业化学生产过程。掺杂金属的石墨烯基纳米复合材料的催化性能显著提高传统过渡金属基催化剂的替代品。此外石墨烯基纳米复合材料的简单合成方法提供了石墨烯基纳米复合材料合成的广泛机会将各种金属或聚合物基纳米材料用于各种应用。在此背景下，石墨烯基合成的最新进展本章概述了纳米复合材料及其性能和应用。这个石墨烯基材料设计和应用的未来见解和挑战纳米复合材料具有良好的稳定性和增强的催化性能在本章中概述。

氧化石墨烯（GO）和氧化石墨的催化电位近年来得到了很好的开发。金属负载氧化石墨的反应性固相多相催化剂已开始成为一种非常强大的工具合成有机化学中C-C键的构建。其中，钯广泛用于各种交叉偶联反应的不同催化剂中例如Mizoroki-Heck、铃木-宫崎骏、熊田、斯蒂尔、根岸、Hiyama和Buchwald-Hartwig等，因为其催化活性高，安装速度快与其他过渡相比具有选择性的复杂分子结构金属催化剂。石墨烯负载钯的最新进展本章介绍了用于交叉偶联反应的纳米催化剂。催化剂还给出了合成和机械方面的内容，并与传统方法。

高性能无金属材料的开发研究碳催化是化学科学的新兴领域之一。可能的活动石墨烯、氧化石墨烯和还原石墨烯氧化物材料表面的位置为负责各种合成转化，包括氧化还原反应。在目前，先进的研究集中在可扩展、可持续、生物相容性、，绿色、经济高效的石墨烯基碳催化剂贵金属催化材料尽管稀缺，但仍在使用，成本高，且具有相对毒性。本章描述了石墨烯基碳催化剂在多组分反应中的用途。 

石墨烯具有电荷迁移率高、电导率高、具有二维结构的大比表面积等特点。它还具有优异的电气、机械和热性能。石墨烯具有优异的机械、物理和化学性质，这是开发高效石墨烯基催化剂用于选择性有机合成的原因。本章概述了石墨烯基催化剂在氧化和还原反应中的各种应用。它全面概述了石墨烯、还原石墨烯氧化物、功能化石墨烯氧化物和氮掺杂石墨烯氧化物及其在各种氧化和还原反应中的催化应用。先前的研究表明，无金属GO具有许多催化应用。由于其高比表面积，氧化石墨烯对碳氢化合物、气体和离子具有很高的吸附倾向。当与氧化功能反应时，GO为引入和修饰各种功能基团提供了多种途径。无金属碳催化剂的巨大潜力被用于解决传统催化剂带来的工业问题。由于石墨烯/GO催化剂是由环保材料合成的，因此应大力探索其在绿色合成中的应用。石墨烯基催化剂有几种应用。它们只允许选择性、温和和高效的转化，并以简单、可回收、可再生和环保的方式进行合成和合成。

酶具有催化特性，可用于不同目的，如某些工业过程中的生物催化剂。然而，由于以下原因，它们的应用受到了限制一些缺点，例如在任何特定过程。酶可以提高其催化活性、稳定性、，可重用性和半衰期，如果这些被固定在某些支持上。石墨烯和石墨烯基纳米材料是酶的良好载体，因为它们也无毒自然界中的材料。这种材料也可以在医学领域中应用诊断、生物燃料电池、生物传感器等在本章中。