石墨烯的無機(jī)與有機(jī)可控功能化.pdf

1、石墨烯,一種新型的二維單原子片層碳納米材料,自從2004年發(fā)現(xiàn)以來以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能等一系列綜合性能吸引了廣泛的關(guān)注,而迅速成為物理、化學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但由于石墨烯表面缺少官能團(tuán)且在溶劑中分散性不好而限制了其在很多領(lǐng)域的應(yīng)用。近幾年來,已有一些有關(guān)不同手段對石墨烯或氧化石墨烯進(jìn)行改性或功能化的報(bào)道,包括有機(jī)和無機(jī)功能化。但是,石墨烯的功能化仍然有一些方面需要進(jìn)一步提高,如功能化方法的改進(jìn),功能化石墨烯

2、分散性的提高等等。本論文針對該領(lǐng)域存在的一些基本問題,開展了石墨烯的有機(jī)功能化和無機(jī)功能化研究,采用簡便有效的途徑合成了多種功能化石墨烯。具體工作及結(jié)果如下:1)合成了一種新型多功能性的磁性納米粒子功能化石墨烯。通過高溫液相水解法在石墨烯表面均勻包覆一層單分散性高度結(jié)晶的Fe3O4磁性納米粒子。應(yīng)用原子力顯微鏡、透射電鏡、掃描電鏡、X射線衍射、X射線光電子能譜、拉曼光譜、近邊X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜等多種分析測試手段對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了

3、表征。通過一系列對比實(shí)驗(yàn)和機(jī)理研究表明,此方法具有很好的可控性,可以通過改變各種反應(yīng)條件實(shí)現(xiàn)對石墨烯上的納米粒子的尺寸和磁性進(jìn)行調(diào)節(jié)。所得產(chǎn)物具有優(yōu)良的超順磁性(飽和磁化強(qiáng)度可達(dá)44emu/g)和導(dǎo)電性(電導(dǎo)率為0.7S/m),可以進(jìn)行進(jìn)一步表面化學(xué)修飾。其還具有良好的溶劑分散性和可加工性,與高聚物通過溶液加工的方法很容易進(jìn)行復(fù)合,得到新型的磁性導(dǎo)電的石墨烯-聚合物復(fù)合材料。2)合成出鈀,鉑,金,銀等金屬納米粒子功能化石墨烯。通過液相還

4、原方法,可以在石墨烯的基體上生長出納米尺寸的貴金屬晶體粒子。透射電鏡和掃描電鏡的觀測結(jié)果表明所得金屬納米粒子均勻點(diǎn)綴在石墨烯納米片的表面。產(chǎn)物具有較好的溶劑分散性。拉曼光譜、X射線衍射和能量散射光譜測試驗(yàn)證了金屬納米晶體在還原的氧化石墨烯上的存在,金屬元素Pd,Pt,Au和Ag的重量含量分別達(dá)到38.6％,17.5%,18.2%和18.3%。3)基于氮烯化學(xué)的途徑合成對石墨烯進(jìn)行有機(jī)功能化。合成方法簡便高效、普適性強(qiáng),可以使各種功能基團(tuán)

5、和聚合物以共價(jià)形式連接到石墨烯表面。應(yīng)用原子力顯微鏡、透射電鏡、掃描電鏡、熱失重分析、X射線光電子能譜、X射線衍射、拉曼光譜等對產(chǎn)物進(jìn)行了表征。結(jié)果驗(yàn)證了在石墨烯上成功引入各種有機(jī)基團(tuán),如羥基、羧基、氨基、溴基、長鏈烷基、聚乙二醇、聚苯乙烯等。其中的各種反應(yīng)性基團(tuán)仍然保持化學(xué)反應(yīng)活性,可以通過進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行修飾,如表面引發(fā)的聚合反應(yīng),氨基化反應(yīng)和金屬粒子的還原反應(yīng)。所得功能化石墨烯具有分散的單片結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的導(dǎo)電性、溶劑分散性以及可