纳米CeO₂（二氧化铈）和石墨烯是两种具有独特物理化学性质的纳米材料，应用于催化、能源存储、环境修复等领域。纳米CeO₂以其良好的氧化还原性能和高比表面积而著称，而石墨烯则以其良好的电导率、高比表面积和机械强度而备受关注。将纳米CeO₂与石墨烯复合，可以充分发挥两者的优点，实现协同增效。本文详细探讨了纳米CeO₂与石墨烯的界面相互作用机制、物理化学性质以及在不同应用中的表现。

界面相互作用机制

（一）化学键合

纳米CeO₂与石墨烯之间可以通过化学键合形成稳定的复合结构。这种化学键合主要通过以下几种方式实现：

氧空位的引入：在CeO₂表面引入氧空位可以增加其表面活性，促进与石墨烯的化学键合。氧空位的存在可以调节CeO₂的电子结构，使其更容易与石墨烯表面的含氧官能团发生化学反应。

含氧官能团的引入：在石墨烯表面引入含氧官能团（如羟基、羧基等）可以增强其与CeO₂的相互作用。这些含氧官能团可以与CeO₂表面的铈离子形成化学键，从而实现两者的紧密结合。

化学修饰：通过化学修饰方法，如共价键合、离子交换等，可以进一步增强纳米CeO₂与石墨烯之间的化学键合。例如，通过在石墨烯表面引入氨基等活性基团，可以与CeO₂表面的铈离子形成稳定的共价键。

这种化学键合可以增强纳米CeO₂与石墨烯之间的界面相互作用，提高复合材料的稳定性和分散性。例如，在CeO₂/石墨烯复合材料中，化学键合可以防止CeO₂纳米颗粒的聚集，使其均匀分散在石墨烯表面。

（二）范德华力

纳米CeO₂与石墨烯之间还存在范德华力。这种弱相互作用虽然不如化学键合强烈，但在一定程度上可以维持两者的接触，有助于电子的传递和物质的传输。范德华力主要来源于纳米CeO₂与石墨烯之间的静电相互作用和色散力。尽管范德华力较弱，但它在复合材料的制备和应用中仍然发挥着重要作用。例如，在CeO₂/石墨烯复合材料中，范德华力可以促进CeO₂纳米颗粒在石墨烯表面的均匀分散，提高复合材料的整体性能。

物理化学性质

（一）电子结构

石墨烯具有电导率和高比表面积，而纳米CeO₂具有良好的氧化还原性能。当两者复合时，电子可以从石墨烯转移到CeO₂，调节CeO₂的电子结构，增强其氧化还原能力。这种电子转移主要通过以下几种机制实现：

电子传递：石墨烯的高导电性可以促进电子的快速传递，提高CeO₂的催化活性。例如，在CeO₂/石墨烯复合材料中，石墨烯的高导电性可以加速电子从CeO₂表面的活性位点传递到反应物分子，从而提高催化反应的速率。

电子结构调控：石墨烯表面的含氧官能团可以与CeO₂表面的铈离子发生电子相互作用，调节CeO₂的电子结构。这种电子结构的调控可以增强CeO₂的氧化还原能力，提高其在催化反应中的性能。

（二）比表面积

石墨烯的高比表面积可以为CeO₂提供更多的活性位点。CeO₂纳米颗粒均匀分散在石墨烯表面，可以防止颗粒聚集，从而提高复合材料的比表面积和活性位点数量。这种高比表面积和活性位点的增加主要通过以下几种方式实现：

均匀分散：石墨烯的二维结构可以有效分散CeO₂纳米颗粒，防止其聚集。通过化学键合和范德华力的作用，CeO₂纳米颗粒可以均匀分布在石墨烯表面，从而提高复合材料的比表面积。

活性位点增加：石墨烯表面的含氧官能团可以与CeO₂表面的铈离子形成活性位点，增加复合材料的活性位点数量。这些活性位点可以为反应物提供更多的吸附位点，从而提高催化反应的效率。

四、应用表现

（一）催化应用

在催化反应中，CeO₂/石墨烯复合材料表现出良好的催化性能。这种良好的催化性能主要体现在以下几个方面：

CO氧化反应：在CO氧化反应中，石墨烯的高导电性可以促进电子的快速传递，提高CeO₂的催化活性。同时，石墨烯的高比表面积可以为反应物提供更多的吸附位点，进一步提高催化效率。例如，在CeO₂/石墨烯复合材料中，CO分子可以吸附在石墨烯表面的活性位点上，然后通过电子传递机制被CeO₂表面的活性位点氧化，从而实现CO氧化反应。

选择性催化还原（SCR）：在选择性催化还原（SCR）反应中，CeO₂/石墨烯复合材料可以将氮氧化物（NOₓ）还原为氮气（N₂）。石墨烯的高导电性可以促进电子的快速传递，提高CeO₂的氧化还原能力，从而提高SCR反应的活性和选择性。例如，在CeO₂/石墨烯复合材料中，NH₃分子可以吸附在石墨烯表面的活性位点上，然后通过电子传递机制被CeO₂表面的活性位点还原，从而实现SCR反应。

（二）能源存储

在锂离子电池中，CeO₂/石墨烯复合材料可以作为电极材料。这种良好的能源存储性能主要体现在以下几个方面：

电导率提升：石墨烯的高导电性可以提高电极的电导率，从而提高锂离子电池的充放电速率和循环稳定性。例如，在CeO₂/石墨烯复合材料中，锂离子可以通过石墨烯的高导电性快速传递到电极表面，从而实现充放电过程。

比容量和循环稳定性提高：CeO₂的氧化还原性能可以提高电极的比容量和循环稳定性。例如，在CeO₂/石墨烯复合材料中，CeO₂的氧化还原反应可以提供额外的比容量，同时石墨烯的高导电性和高比表面积可以防止CeO₂纳米颗粒的聚集，从而提高电极的循环稳定性。研究表明，CeO₂/石墨烯复合材料在锂离子电池中表现出较高的比容量和良好的循环性能，具有应用前景。

热稳定性增强：CeO₂的高热稳定性可以增强电极在高温条件下的性能。例如，在CeO₂/石墨烯复合材料中，CeO₂可以防止石墨烯在高温条件下的氧化和烧结，从而提高电极的热稳定性。这种热稳定性的增强可以进一步提高锂离子电池在高温条件下的性能和安全性。

纳米CeO₂与石墨烯的复合结构在界面相互作用方面展现出优势。通过化学键合和范德华力，纳米CeO₂与石墨烯之间形成了稳定的复合结构，提高了复合材料的电子传递效率和比表面积。这种复合结构在催化和能源存储等领域表现出良好的性能。