基于石墨烯凝膠材料的輻射制備及其應(yīng)用研究.pdf

1、基于石墨烯的凝膠材料具有優(yōu)異和獨(dú)特的化學(xué)和物理性能，在吸附、催化和傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，雖然有多種方法能有效實(shí)現(xiàn)基于石墨烯的凝膠材料的制備，如水熱法、化學(xué)還原法和模板法等，但是通常需要高溫高壓、添加還原劑或者模板等條件。因此，也帶來了高成本和污染等問題，不利于基于石墨烯凝膠材料的大規(guī)模生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用。本論文從氧化石墨烯(GO)的醇水分散體系出發(fā)，利用γ射線輻射一步實(shí)現(xiàn)GO的還原和功能化，并進(jìn)一步自組裝得到自支撐基于石墨烯

2、的凝膠材料，并對(duì)其形成機(jī)理以及在吸附和電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究。主要研究成果如下:
　　1.對(duì)分散在多種脂肪醇-水溶液中的GO納米片的γ射線輻射還原改性和自組裝行為進(jìn)行了研究，詳細(xì)探究了醇-水溶液的pH值、醇-水的體積比（φa/w）、醇的種類、GO濃度和吸收劑量等因素對(duì)3D大孔還原氧化石墨烯(rGO)水凝膠形成過程的影響。結(jié)果表明在醇-水溶液中，γ射線輻射將同時(shí)引發(fā)GO的還原和表面羥烷基鏈改性，此過程是控制GO納米片自組裝行為的

3、關(guān)鍵。在強(qiáng)酸性條件(pH≤2)下，表面羥烷基鏈改性的rGO納米片通過疏水作用和氫鍵作用自組裝形成自支撐3D大孔石墨烯水凝膠(SGH)，經(jīng)冷凍干燥后，得到低密度(4mg/cm3)的石墨烯氣凝膠(SGA)。由于所制備的SGA是由表面羥烷基化的rGO納米片構(gòu)成，使得其對(duì)大多數(shù)極性和非極性有機(jī)溶劑（如DMF、甲苯、氯仿等）都具有很好的吸收性能，尤其是對(duì)醇類分子（吸收量＞147g/g）。這一結(jié)果意味著本方法制備的SGA材料有望用于多種有機(jī)物的吸附

4、分離。
　　2.與異丙醇類似，叔丁醇也能有效清除HO·和H·，但文獻(xiàn)中卻報(bào)道γ射線輻照對(duì)分散在叔丁醇-水溶液中的GO納米片幾乎沒有明顯的還原作用。本論文考察了GO的叔丁醇-水分散液在多種輻照條件下的產(chǎn)物形貌，發(fā)現(xiàn)在合適的輻照條件下，在叔丁醇-水溶液中同樣能夠得到自組裝形成的SGH。通過SEM、FT-IR和Raman光譜以及XPS等表征方法，證明構(gòu)成SGH的GO納米片已發(fā)生部分還原，同時(shí)修飾上了叔丁醇分子。同樣地，叔丁醇-水溶液中S

5、GH的形成也需要在強(qiáng)酸性條件下才能形成。這個(gè)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了GO納米片在醇水溶液中的γ射線輻射效應(yīng)表現(xiàn)為部分還原和羥烷基化，其程度和速度受到體系pH值，醇的濃度和分子結(jié)構(gòu)、GO濃度和輻照條件（吸收劑量率和吸收劑量）的影響，最終決定了GO納米片在輻照過程中的自組裝行為。
　　3.在上述γ射線輻射引發(fā)GO在醇水溶液中自組裝機(jī)理的指導(dǎo)下，將H2PtCl6分散在GO的醇-水分散液中，通過γ射線輻射，在GO納米片進(jìn)行自組裝的同時(shí)，進(jìn)行H2P

6、tCl6的輻射還原形成Pt納米粒子，一步得到了負(fù)載Pt納米粒子(粒徑為1-5nm)的SGH(SGH-Pt)。經(jīng)冷凍干燥后，得到負(fù)載Pt納米粒子的SGA(SGA-Pt)，并作為電容器電極材料考察了其電化學(xué)性能。研究結(jié)果表明，Pt納米粒子含量為41％時(shí)，比電容達(dá)到206.8F/g，經(jīng)過4500次充放電循環(huán)后，比電容保留了98％。這說明所制備的SGA-Pt具有足夠高的比電容和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，有望用做超級(jí)電容器的電極材料。
　　4.分別

7、將導(dǎo)電聚合物單體吡咯(Py)和3，4-乙撐二氧噻吩(EDOT)溶于GO的醇-水分散液中，首次利用γ射線輻射的方法，同步實(shí)現(xiàn)GO自組裝和單體的輻射聚合，一步得到導(dǎo)電聚合物/石墨烯復(fù)合凝膠(CP-GH)，并通過紅外光譜、XPS、SEM、TEM和Raman光譜等對(duì)其化學(xué)結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征，并對(duì)單體的聚合機(jī)理進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，在輻照過程中，GO納米片的還原和自組裝并沒有受到單體以及所生成的聚合物的影響，而單體聚合生成的導(dǎo)電聚合物則負(fù)載在r