利用石墨烯调控功能材料的结构及性能

发布时间：2017-10-04 19:32

  本文关键词：利用石墨烯调控功能材料的结构及性能

  更多相关文章： 石墨烯 GO MnO_2 纳米花球 空心纳米球 高分子复合膜 催化 自组装

【摘要】：近年来,基于石墨烯的复合物、复合膜,以及利用石墨烯合成纳米材料成为研究热点。石墨烯/Mn02复合物将石墨烯的导电性能和Mn02的催化性能集于一身,调节复合物中Mn02的形貌是提高复合物催化性能的一种方法。在本文中,我们通过改变水热反应条件,以氧化石墨烯(graphene oxide, GO)为模板、KMnO4和MnSO4为前驱体调控GO/MnO2复合物中Mn02的形貌,得到GO纳米片/γ型Mn02纳米花球复合物。分布在GO纳米片的面上和边上的Mn02纳米花球的横向尺寸约300-500 nm,由厚度为20 nm左右的Mn02纳米片堆积而成。GO/MnO2复合物对亚甲基蓝(methylene blue, MB)的降解具有最快的催化速率,150s时达到对MB的完全降解。GO/MnO2复合物超快的催化速率主要是由于GO和Mn02之间的协同效应所致,GO纳米片不仅为MB的吸附提高了较大的比表面积,而且还作为电子转移的载体,加快MB的氧化分解。超薄Mn02空心纳米球(ultrathin MnO2 hollow nanoballoons, UMHNBs)具有高界面原子比率,有望优化性能。由于很难控制晶胞浓度,其合成是一个难题。本文以单层GO为还原剂、KMnO4为氧化剂,深入分析Hummers法制备GO过程中KMnO4被还原的机理,通过KMnO4与GO反应、瞬间冷冻干燥一步合成直径大约为30-500 nm、壳厚度为3.7 nm、由五层[MnO6]晶胞以S-MnO2形式堆积而成的UMHNBs。UMHNBs具有到目前为止最高的催化活性,单位质量的催化剂降解的MB质量为7.69 mg/mg,是文献报道的最大值的15倍,且多次催化后催化效率和结构稳定性良好。石墨烯／聚合物复合膜不但提高了石墨烯的稳定性,还将石墨烯的导电性能、机械性能与聚合物的柔性相结合。但是,如何实现石墨烯在聚合物分子中的均匀分布是提高复合膜性能的首要难题。本文研究了GO和聚氯乙烯(poly vinyl chloride, PVC)的分散行为,制备稳定的GO/PVC混合液。然后优化还原剂[抗坏血酸(ascorbic acid, AA)、硼氢化钠(NaBH4)、水合肼(N2H4H2O)、氢碘酸(HI)]、还原顺序及制膜方式(先制膜后还原、先还原后制膜),实现了rGO在PVC基质中的均匀分布,获得了兼具机械强度和柔性的rGO/PVC复合膜。本论文利用GO纳米片构建大比表面催化剂、改善聚合物体系性能,基于胶体与界面科学深化了对GO和功能材料的认识,为基于GO的分子组装和催化等领域的应用提供了新思路。
【关键词】：石墨烯 GO MnO_2 纳米花球 空心纳米球 高分子复合膜 催化 自组装
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O613.71
【目录】：

• 中文摘要10-12
• Abstract12-14
• 第一章 前言14-40
• 1.1 石墨烯及氧化石墨烯(GO)14-22
• 1.1.1 石墨烯简介及应用14
• 1.1.2 GO简介及应用14-19
• 1.1.2.1 药物载体14-16
• 1.1.2.2 光动力治疗16-17
• 1.1.2.3 基因传递17-18
• 1.1.2.4 生物成像18-19
• 1.1.3 以石墨烯、GO为前驱体合成纳米材料19-21
• 1.1.4 以石墨烯、GO为模板组装复合物21-22
• 1.2 石墨烯/MnO_2复合物22-27
• 1.2.1 以GO为模板原位合成GO/MnO_2复合物22-25
• 1.2.2 组装GO和MnO_2成石墨烯/MnO_2复合物25-27
• 1.3 MnO_2空心球27-33
• 1.3.1 MnO_2简介27-28
• 1.3.2 MnO_2空心球28-33
• 1.3.2.1 模板法28-31
• 1.3.2.2 金属离子辅助法31-33
• 1.4 石墨烯/聚合物复合物33-38
• 1.4.1 石墨烯/聚氯乙烯(PVC)复合膜36-38
• 1.5 课题的提出及主要内容38-40
• 第二章 实验部分40-48
• 2.1 实验试剂40
• 2.2 实验方法40-44
• 2.2.1 GO的制备40-41
• 2.2.2 GO/MnO_2复合物的合成及其催化性能测试41-42
• 2.2.2.1 GO分散液、MnSO_4和KMnO_4溶液的配置41
• 2.2.2.2 GO/MnO_2复合物的合成41
• 2.2.2.3 GO/MnO_2复合物的性能测试41-42
• 2.2.3 超薄MnO_2空心纳米球(ultrathin MnO_2 hollow nanoballoons,UMHNBs)的合成及其催化性能测试42-43
• 2.2.3.1 KMnO_4溶液的配置42
• 2.2.3.2 UMHNBs的合成42
• 2.2.3.3 MB工作曲线的绘制42
• 2.2.3.4 UMHNBs的催化性能测试42-43
• 2.2.4 rGO/PVC复合膜的制备43-44
• 2.2.4.1 不同质量分数的GO/PVC混合液的配制43
• 2.2.4.2 抗坏血酸(ascorbic acid,AA)还原不同质量分数的GO/PVC混合液43
• 2.2.4.3 NaBH_4还原不同质量分数的GO/PVC复合膜43
• 2.2.4.4 水合肼还原不同质量分数的GO/PVC复合膜43
• 2.2.4.5 HI蒸气还原不同质量分数的GO/PVC复合膜43-44
• 2.3 仪器表征方法44-48
• 2.3.1 仪器型号44-45
• 2.3.2 样品测试45-48
• 第三章 GO/MnO_2复合物的性能研究48-58
• 3.1 GO的形貌及厚度48
• 3.2 GO的UV-Vis、FTIR、Raman、XRD、XPS谱图48-50
• 3.3 GO/MnO_2复合物的形貌50-51
• 3.4 GO/MnO_2复合物的UV-Vis、Raman、XRD、XPS谱图51-53
• 3.5 GO/MnO_2复合物的形成机理53-55
• 3.6 GO/MnO_2复合物的催化性能及催化机理55-56
• 3.7 本章小结56-58
• 第四章 UMHNBs的性能研究58-68
• 4.1 UMHNBs的形貌58-59
• 4.2 UMHNBs的UV-Vis、FTIR、Raman、XRD、XPS谱图59-62
• 4.3 UMHNBs的形成机理62-63
• 4.4 UMHNBs的催化性能63-64
• 4.5 UMHNBs的催化机理64-65
• 4.6 本章小结65-68
• 第五章 rGO/VC复合膜的性能研究68-76
• 5.1 rGO/PVC复合膜的形貌68-70
• 5.2 rGO/PVC复合膜的UV-Vis、FTIR、Raman谱图70-72
• 5.3 rGO/PVC复合膜的柔性、机械性能、导电性能72-74
• 5.4 本章小结74-76
• 第六章 主要结论及创新点76-77
• 参考文献77-88
• 致谢88-89
• 攻读硕士学位期间发表的论文89-90
• 附件90

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