石墨烯基納米材料和閉孔氧化硅材料的設(shè)計合成及功能研究.pdf

1、自從2004年首次被實驗證實以來，石墨烯迅速發(fā)展成為目前物理、化學(xué)、生物、材料等多學(xué)科共同關(guān)注的熱點領(lǐng)域之一。石墨烯獨特的二維(2D)單原子層晶體結(jié)構(gòu)，賦予了它許多奇特的物理化學(xué)性質(zhì)，使其在微電子、傳感、光電器件、能源儲存、催化等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。多年來科學(xué)家們在合成石墨烯，探究其性質(zhì)以及發(fā)展石墨烯的應(yīng)用方面做出了極大的努力，取得了長足的進步。以石墨烯為基礎(chǔ)的納米復(fù)合材料和納米結(jié)構(gòu)的制備越來越多的被研究人員報道，并在許多方面表

2、現(xiàn)出良好的實用性。材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)是其用途的決定性因素。發(fā)展簡便高效的合成技術(shù)，制備具有精細(xì)可控結(jié)構(gòu)和功能化修飾的石墨烯基納米材料，并深入探究材料的合成機理及其應(yīng)用潛力對于石墨烯材料的研究具有重要的意義。
　　 閉孔氧化硅材料獨特的閉合孔道結(jié)構(gòu)賦予了它在低介電常數(shù)絕緣材料方面具有非常好的應(yīng)用潛力。隨著微電子工業(yè)朝著摩爾定律所預(yù)言的方向不斷發(fā)展，集成電路密度以及工作頻率日漸提升，未來電子元件的大小將會被不斷降低。因此設(shè)計制備具有更

3、小孔徑的閉孔氧化硅將是這類材料未來發(fā)展的趨勢。
　　 在第二章中，以SnCl4·5H2O和氧化石墨烯為前驅(qū)體，通過一步的溶劑熱反應(yīng)合成得到SnO2/石墨烯納米復(fù)合物。復(fù)合物中SnO2納米顆粒呈短棒狀的形貌，長～40 nm，寬～10 nm，均勻的平鋪于石墨烯片層上。作為鋰離子電池負(fù)極材料，SnO2/石墨烯納米復(fù)合物材料表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能，首回合可逆容量達到了838 mAh/g，而材料的循環(huán)穩(wěn)定性也相當(dāng)出色(20循環(huán)后保持510

4、 mAh/g的可逆容量)。
　　 在第三章中，采用一步溶劑熱反應(yīng)合成了Fe3O4納米顆粒與石墨烯的復(fù)合物。通過控制前驅(qū)體的投料比，產(chǎn)物中石墨烯的含量得到了成功的調(diào)節(jié)。將所得產(chǎn)物用作鋰離子電池負(fù)極材料，比較不同石墨烯摻入量對產(chǎn)物電化學(xué)性能的影響。通過比較研究發(fā)現(xiàn)18.5 wt％石墨烯含量的樣品可以兼具高儲鋰容量和高循環(huán)穩(wěn)定性兩方面優(yōu)勢，表現(xiàn)出最佳的電極性能。該樣品在50 mA/g電流密度下循環(huán)40回合后，可逆容量能夠穩(wěn)定在750

5、mAh/g。同時該樣品還表現(xiàn)出很好的倍率性能，在500 mA/g電流密度下依然可以保持約370 mAh/g的穩(wěn)定可逆容量。
　　 在第四章中，孔徑可調(diào)的石墨烯泡沫材料被成功的設(shè)計合成。石墨烯泡沫材料具有很高的比表面積，達到851 m2/g。材料的孔體積高達～4.3 cm3/g，是目前己報道石墨烯泡沫材料中最高的。更為重要的是，石墨烯泡沫的孔徑首次實現(xiàn)了從介孔尺度到大孔尺度(30-120 nm)的連續(xù)調(diào)變。通過對合成過程的追蹤和監(jiān)

6、測，多孔石墨烯泡沫的合成機理被推斷為疏水作用驅(qū)動層狀自組裝模板合成機制。GO和疏水氧化硅球之間的疏水相互作用驅(qū)使兩者相互組裝形成具有層狀納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合物。焙燒后，被還原的GO緊貼于氧化硅球表面，復(fù)制其球形外觀。待除去氧化硅組分，石墨烯可以維持住原先的框架結(jié)構(gòu)，得到多孔石墨烯泡沫材料。通過簡單的濕法浸漬方法，～5 nm的Fe3O4磁性納米粒子被均勻的修飾在石墨烯泡沫樣品的孔壁上，進一步功能化了多孔石墨烯泡沫材料。應(yīng)用研究表明，石墨烯泡沫及

7、其衍生產(chǎn)物在鋰離子電池，生物分子檢測等方面都有非常出色的應(yīng)用潛力。
　　 在第五章中，通過多級自組裝的合成策略制備了具有閉孔介觀結(jié)構(gòu)的單分散氧化硅小球。合成所得產(chǎn)物呈現(xiàn)出均一的球形外觀，顆粒大小約為120 nm。通過詳細(xì)的結(jié)構(gòu)解析，小球的閉孔結(jié)構(gòu)得到了確認(rèn)，閉合孔尺寸約為3 nm。合成機理研究表明，在反應(yīng)過程中，氧化硅前驅(qū)體在球形C16TAB膠束外沉積包裹，預(yù)先形成氧化硅包裹的復(fù)合膠束小球。隨后，預(yù)先形成的復(fù)合膠束小球在溶液中團