基于珍珠层的碳纳米筛制备及其应用研究

发布时间：2020-07-28 07:29

【摘要】：海洋贝壳是一种储量丰富的渔业废弃物,同时,又是一种独一无二的制备二维纳米材料的可再生原材料。无论是从环境保护还是资源利用上,对其回收利用都具有重要意义。目前,海洋贝壳的利用率极低,主要是对其无机组分的利用,对其有机组分用以大规模绿色的合成具有精细结构的二维碳纳米筛还鲜有报道。目前国内外对二维碳纳米筛的相关研究主要集中在石墨烯纳米筛材料上,虽然制备方法种类繁多,但大都存在高耗时、高成本、工艺复杂和容易造成污染的问题,而且产品往往溶剂分散性较差,因而限制了纳米筛的进一步应用。本论文通过选用海洋废弃物贝壳一鲍鱼壳为原材料,采用直接热解的绿色合成方法,实现了具有高分散性的类石墨烯结构的二维碳纳米筛的制备,并探究了该碳纳米筛在过滤吸附、传感以及驱动等领域的应用。主要研究内容如下:1.基于鲍鱼壳珍珠层精妙的“砖泥”结构,利用其“泥层”(有机层)作为碳质前体,“砖层”(霰石层)则充当硬模板,通过直接热解的方法成功制备了具有类石墨烯结构的二维碳纳米筛。通过表征分析,该碳纳米筛的面内孔是以矿物桥为模板和霰石层的自活化效应共同作用产生。最终,合成厚度1 nm,比表面积为378 m2/g,并且含有丰富的O、N和S等杂原子掺杂的碳纳米筛。2.将制备的类石墨烯二维碳纳米筛分散到多种溶剂,观察一周得出该碳纳米筛在水、乙醇、二甲基甲酰胺和二甲基乙酰胺等溶剂中具有很好的分散稳定性,继而将其水分散液在不同基底蘸写、滴涂或抽滤成多种图案,均展现出良好的可加工性。再将其水分散液通过真空抽滤成膜用于过滤吸附罗丹明B,该碳纳米筛膜展现出高通量过滤和连续流动吸附,并且通过批量吸附实验得出该碳纳米筛对多种染料的吸附率几乎都高达百分之百。还将其分散液滴涂到丝网印刷电极或者涂敷到弹性体和尼龙基底上,该谈纳米筛膜对微量化学物质、应变和湿度的传感均表现出较广的检测范围和较高的灵敏度。最后,将二维碳纳米筛制备的仿生肌肉通过低压电场刺激,也表现出较大的弯曲驱动形变并且能够保持长时间的致动稳定性。
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TQ914.3;TQ127.11
【图文】：

珍珠层,微观结构,霰石

逡逑在自然界生命系统中结构精妙的二维纳米材料并不难发现ｌ２２，８Ｍ２ｌ，例如珍珠逡逑层，如图１．２，作为一种最自然的生物复合材料，具有精妙的“砖泥”结构，即通逡逑过在层层连锁的霰石片（厚度：２００－７００邋ｎｍ）之间插入二维有机层（厚度：２０－４０逡逑ｎｍ）构成Ｉ２５，８３，？。其中，二维有机层（主要是蛋白质和甲壳素）任意贯穿着矿逡逑物桥圆柱（直径：２０－５０邋ｎｍ），该矿物桥结构可以将相邻的霰石片很好地固定。逡逑Ｖ邋＇逦＿＿＿Ｍｉｎｅｒａｌ邋ｌａｙｅｒ邋－ｗ逦ｔ逡逑0丨￣邋＾＾Ｖ＃２０—４０邋圆逡逑Ｍｉｎｅｒａｌ邋ｂｒｉｄｇｅ逡逑图１．２“砖泥”珍珠层的微观结构。逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｂｒｉｃｋ－ａｎｄ－ｍｏｒｔａｒ邋ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｎａｃｒｅ．逡逑９逡逑

珍珠层,合成原理,酸解,路线

如Ｈ３Ｐ０４和ＨＮ０３），直到固体样品反应完全，然后再用纯水进行多次洗涤，洗逡逑至ｐＨ值？７。之后，样品经冷冻干燥，在４５邋Ｈｚ条件下超声３０邋ｍｉｎ可以在溶剂逡逑中重新分散，即得到碳纳米筛的分散液，如图２．１。逡逑Ｍ逡逑？邋Ｃａｌｃｉｎａｔｉｃｍ逦＼邋Ａｃｉｄ邋ｔｒｅａｔｍｅｎｔ逦＾逡逑Ｉ：逡逑Ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｍｅｓｈ逦ｔＥ？７邋－邋１邋ｎｍ逡逑Ｎａｃｒｅ逦ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｉｎｏｒｇａｎｉｃ邋ｌａｙｅｒｓ逦Ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｍｅｓｈ逡逑图２．１碳纳米筛的合成原理路线．？珍珠层的煅烧；酸解无机层和超声－剥离碳纳米筛逡逑Ｆｉｇ．２．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ邋ｐａｔｈｗａｙ邋ｏｆ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｍｅｓｈ邋ｆｒｏｍ邋ｎａｃｒｅ：邋ｃａｌｃｉｎａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｎａｃｒｅ；逡逑ａｃｉｄ－ｄｉｓｓｏｌｖｉｎｇ邋ｉｎｏｒｇａｎｉｃ邋ｌａｙｅｒｓ邋ａｎｄ邋ｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ－ｅｘｆｏｌｉａｔｉｎｇ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｍｅｓｈ逡逑为了满足绿色化学和可持续发展的理念，避免资源浪费，该碳纳米筛制备过逡逑程通过调节酸的种类可以得到不同的酸洗溶液，将该溶液直接通过蒸发结晶的方逡逑式便可以得到多种钙盐副产品（例如，Ｃａ（Ｎ０３）２，ＣａＣｂ和ＣａＨＰ０４／Ｃａ３（Ｐ0４）２），逡逑如图２．２

光学图,筛制,钙盐,副产物

２．３碳纳米筛的物理化学结构表征逡逑根据ＴＧＡ和ＴＥＭ可以得出，碳纳米筛的形貌与锻烧温度密切相关，在惰逡逑性气体氛围保护下低于４５０邋°Ｃ（图２．３，第Ｉ部分），鲍鱼壳的重量损失只有４．４％，逡逑与结合水的脱除和有机组分的开始热分解相对应（如：蛋白质和甲壳素）。大于逡逑６５０邋°Ｃ邋（图２．３，第ＩＩＩ部分），重量损失高达４２．７°／。是由于ＣａＣ０３的热分解产生逡逑的（方程式２－１），邋Ｃ被Ｃ０２活化，因此导致碳气化（方程式２－２）邋［８６］。在４５０－６５０邋°Ｃ逡逑（图２．３，第ｎ部分）中，重量损失稳定在ｌｗｔ．％，对应霰石到方解石的相转化逡逑和有机组分的碳化过程。因此，对碳纳米筛的合成温度进行了系统地研宄。逡逑ＣａＣ０３邋＝邋ＣａＯ＋邋Ｃ０２邋Ｔ逦（２－１）逡逑Ｃ０２邋＋邋Ｃ＝邋ＣＯ逦（２－２）逡逑１６逡逑

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