氧化石墨烯-無機納米粒子復(fù)合材料的可控合成及性能研究.pdf

1、石墨烯是由碳原子以sp2雜化構(gòu)成的新型碳質(zhì)納米材料，具有可延展的二維平面，且只有一個碳原子的厚度，呈現(xiàn)周期性六邊形排列的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。因為其具有傳統(tǒng)材料所沒有的新穎的物理化學(xué)性質(zhì)，成為最近納米技術(shù)研究關(guān)注的熱點對象。氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)是石墨經(jīng)過氧化、剝離處理后的產(chǎn)物，與石墨烯相比，它同樣具有二維平面結(jié)構(gòu)和六角形晶格，具備出色的物理化學(xué)特性，如熱性能、機械性能、光學(xué)性質(zhì)、巨大的比表面積等；并且由于其片層表面和邊

2、緣有活潑官能團的存在，如羥基、環(huán)氧鍵、羰基和羧基，使得氧化石墨烯具有良好的溶解性和可改性加工性能。這些使得氧化石墨烯成為納米復(fù)合材料中的一個理想骨架。本文旨在構(gòu)筑多種尺寸和性能可控的氧化石墨烯基無機納米復(fù)合材料，考察復(fù)合物的形貌、結(jié)構(gòu)和性能，探索其在光催化、SERS增強、電化學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴研究不同粒徑Au、Ag納米粒子組裝的GO-Au、GO-Ag復(fù)合物的可控合成，并考察它們的尺寸依賴性。合成過程包括

3、兩個步驟：第一步，合成粒徑不同的Au、Ag納米顆?；蛉苣z；第二步，在水-正丁胺合成體系中，將納米粒子與GO復(fù)合。正丁胺除了預(yù)插層GO的作用，還起到還原并錨定納米顆粒于GO上。透射電鏡圖片顯示制備的Au、Ag納米粒子單分散性較好、尺寸分布均勻，并隨機負(fù)載在GO片層上；紫外可見光吸收光譜顯示，隨著粒子尺寸的增大，Au或Ag納米粒子的表面等離子體共振吸收峰發(fā)生了明顯的紅移。實驗結(jié)果表明，復(fù)合物的一些性能顯示出明顯的尺寸依賴性。隨著Ag納米粒子

4、尺寸的增加，GO-Ag的表面增強拉曼散射效應(yīng)明顯增加；同時隨著Au納米粒子尺寸的增加，GO-Au催化氧化乙二醇制乙二醛的產(chǎn)率降低。⑵采用不同碳鏈長度的烷基溴化銨作為鹵源，構(gòu)建Ag/AgBr/GO納米復(fù)合物。研究復(fù)合物的光催化活性和表面增強拉曼散射效應(yīng)與制備過程中烷基溴化銨的碳鏈長度的關(guān)系。實驗結(jié)果顯示，碳鏈長度降低時，AgBr光分解為A g的速率加快，Ag/AgBr/GO的可見光催化活性降低，但SERS效應(yīng)反而出現(xiàn)增強。拉曼散射研究表明

5、，所制備的Ag/AgBr/GO納米復(fù)合物不僅能夠增強GO的拉曼信號，還可以作為SERS基底增強染料分子的拉曼信號。由于兼具光催化活性和SERS效應(yīng)，Ag/AgBr/GO-CTAB和Ag/AgBr/GO-DTAB納米復(fù)合物可以作為可循環(huán)SERS基底重復(fù)使用。⑶采用乳化爆燃法制備了納米氧化鈽（Ce02)、氧化鐵（Fe203)和鐵酸銅(CuFe204)，并成功將它們負(fù)載到GO上，分別得到G0-Ce02、G0-Fe203、GO-CuFe204。

6、利用X射線衍射、透射電鏡以及紫外-可見光吸收光譜對合成樣品的結(jié)構(gòu)、形貌進行了表征和分析。結(jié)果表明：以爆燃法合成的Ce02、a-Fe203、CuFe204納米粒子較為純凈，平均粒徑分別約為29.1nm、60.0nm、13.5nm;它們負(fù)載到GO上后，粒子團聚現(xiàn)象有所改善；G0-Ce02和G0-CuFe204在紫外光及可見光區(qū)域具有很好的光響應(yīng)能力。汞燈光照下2小時后，催化劑G0-Ce02、G0-CuFe204對羅丹明B的光降解率分別可達9

7、2.3％、98.1%。結(jié)果表明，所得的G0-Ce02、G0-CuFe204具有優(yōu)異的光催化活性。⑷通過量子點表面包覆的吡啶和化學(xué)還原性石墨烯(CCG)之間的兀-兀堆積方式構(gòu)筑石墨烯-金屬硫化物/硒化物量子點復(fù)合材料（CCG-PbS、CCG-ZnS、CCG-CdS、CCG-MnS、CCG-PbSe、CCG-ZnSe、CCG-CdSe)。化學(xué)還原性石墨烯借助靜電斥力，可以不需要分散劑存在下穩(wěn)定分散在水中。通過X射線衍射、紫外-可見吸收光譜、

8、透射電鏡、拉曼光譜等表征手段，考察了相應(yīng)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)、形成機理與性質(zhì)。在制備過程中，利用吡啶取代量子點表面結(jié)合的油胺，制備的石墨烯-量子點復(fù)合物能穩(wěn)定地分散于水或極性溶劑中，使得它們可用于電化學(xué)和膜材料的進一步研究和應(yīng)用。⑸分別采用碳纖維、碳納米管、氧化石墨烯作為載體，將Ti02納米粒子負(fù)載到它們的表面上，再將A u納米粒子負(fù)載到Ti02表層，從而合成了三種具有高效光催化活性的碳載Au/Ti02復(fù)合物。通過X射線衍射光譜、掃描電子顯微鏡

9、、拉曼光譜等測試表征手段，考察了所得碳載Au/Ti02復(fù)合物的結(jié)構(gòu)、形貌與性能。光催化降解實驗數(shù)據(jù)顯示在這三種碳載Au/Ti02復(fù)合材料的光催化存在下，經(jīng)汞燈照射2h后亞甲基藍溶液的降解率分別達到約85%、92%、95%。同時拉曼光譜檢測顯示，Au/Ti02/CF、Au/Ti02/G0具有優(yōu)秀的表面增強拉曼光譜效應(yīng)，可以作為SERS檢測基底來使用，并且在汞燈照射下可以“清洗”掉表面吸附的上組表面增強拉曼散射實驗中的檢測分子，實現(xiàn)基底的循