亲水性石墨烯及其复合材料的制备与性能研究

发布时间：2018-04-21 04:06

本文选题：氧化石墨烯 + 水溶性石墨烯　；参考：《燕山大学》2016年博士论文

【摘要】：石墨烯是单层碳原子厚度的二维材料,具有优良的电子迁移率、机械强度和吸附能力,被用于电容器、污水处理、建筑和太阳能电池等各种领域中。但石墨烯的不溶性限制了其应用,如何改善石墨烯的分散性从而制备出复合均匀的复合材料成为目前的研究热点。对肼基苯磺酸(PHS)分子中含有肼基和磺酸基,本论文设计以其为还原剂和修饰剂,作用于氧化石墨烯(GO),制备得到亲水性石墨烯。然后以其为原料,在水相中与四氧化三铁、聚合物和或二氧化钛等进行作用,制备得到复合均匀的功能性材料,对相应产品的结构和形貌进行表征和分析,研究产品的性能、合成及作用机理,为新型亲水性石墨烯及其复合材料的开发与应用奠定基础。采用改进的Hummers法,以石墨粉为原料,在混酸(浓硫酸和浓磷酸)的存在下,与氧化剂高锰酸钾在50℃反应12 h,制备得到GO。TEM和XRD显示,GO为透明薄纱状的片层状,在2θ=9.0°有衍射峰,呈较好的晶体结构。将制得的GO和PHS混合,在氮气保护下,于85℃反应12 h,一步合成得到亲水性石墨烯(HG)(在无或有氢氧化钠存在下得到的产品分别称为HGa或HGb)。反应过程主要为PHS被吸附,然后穿插于GO片层,与GO上的基团作用,还原了其分子中的含氧基团尤其是羰基。由于PHS残基中含有极性强的磺酸基团,形成较大的空间位阻和较强的静电排斥力,降低了HG的表面能,避免了HG之间的聚集,并给予HG良好的水溶性。HGa在水中的浓度可高达12.66 mg·mL~(-1),HGb为9.27 mg·mL~(-1),且可保存数月,不产生沉淀,并在pH=2-12条件下有良好的相容性和稳定性。它们也可分散于极性有机溶剂如DMF和DMSO中,以及乙醇、聚乙烯醇和环糊精的水溶液中。HG水溶液在260-283 nm有紫外吸收峰,是由于其分子不饱和碳骨架和芳香基团而产生的;TEM下呈透明的薄纱状,褶皱少,说明其聚集程度较小;XRD显示由于有机基团的存在,其结晶性较弱。TGA和DTA测试结果表明,HGa在350-670℃的失重率为62.2%,HGb则为54.3%,说明磺酸基转化成钠盐后,HG的热稳定性有所增加。采用一步化学共沉淀法,以硫酸亚铁铵、氯化铁和HG为原料,在碱性水溶液中于85℃反应1 h,制备得到了Fe_3O_4/HG复合物。结果表明,Fe_3O_4粒子均匀分散在HG的片层上,粒径在9.15-21.80 nm之间,且随着HG含量的增加,Fe_3O_4/HG中的Fe_3O_4的粒径逐渐变小。Fe_3O_4/HG具有亚铁磁性、较高的矫顽力、低的比饱和磁化强度和对染料罗丹明B和Cr3+离子良好的吸附性。吸附动力学符合假二级动力学模型,吸附过程由内扩散和吸附剂表面活性位点的化学吸附共同控制。光Fenton反应结果表明,Fe_3O_4/HG可在短时间内达到较好的光催化效果,当HG的含量为53.81%时,催化效率可达87.68%,速率为0.055 mg·min-1,这主要是由于HG具有较高的载流子迁移率,能加快Fe3+/Fe2+之间电子转换速率的缘故。测试结果显示,Fe_3O_4/HG的Zeta电位可达38.1 mv,且HG含量越高,相应Zeta电位值也相应越大,由此可通过HG的含量调控Fe_3O_4/HG在水中的分散程度和稳定性。采用一步化学共沉淀法,以硫酸亚铁铵、氯化铁和聚乙烯醇(PVA)为原料,在无或有HG存在的条件下,于85℃反应1 h制备得到了Fe_3O_4/PVA(FP)和Fe_3O_4/HG/PVA(GFP)两种膜材料。结果显示,FP中的Fe_3O_4粒子呈球状,且均匀分布在PVA中,平均粒径在8.19-17.58 nm;GFP中的Fe_3O_4粒子呈球形、网状及棒状等多种形态。FP和GFP都为亚铁磁性,GFP比FP具有更高的热稳定性和阻燃性。当HG的含量为1.2 wt%时,GFP有最高的抗拉强度(198.13 Mpa)、最大的吸收能(0.58 J)、较大的最大应变(629.57%)和杨氏模量(0.31 Gpa)。GFP具有优异的机械性能,这主要归因于HG、Fe_3O_4和PVA之间的交联以及协同作用。分别采用低温水解法和超声法,在酸性条件下,以四氯化钛和HG为原料,制备得到了TiO_2/HG系列复合物。结果表明,在超声作用下,复合的TiO_2粒径在0.21-0.38μm之间,且分散均匀,全部呈相对稳定的金红石相;而低温水解法得到的TiO_2粒径在0.23-0.38μm之间,略显聚集,为金红石和锐钛矿相的混合体,且随着HG含量的增加,金红石相减少,由此可通过HG的量调控TiO_2/HG复合物中TiO_2的晶型。甲基橙光降解实验结果表明,TiO_2/HG具有较好的光降解效率,且随HG量的增加,光反应速率和降解率逐渐增加,这主要是由于HG的存在可增加载流子的迁移率,并抑制了TiO_2光生电子-空穴对的复合,与低温水解法相比,超声法获得的产品具有更好的光催化效率。HG和TiO_2/HG对大肠杆菌的生长均有抑制作用,抑菌率分别为82.61%和89.85%,说明TiO_2/HG有利于活性自由基的产生,可起到了良好的抑菌作用。
[Abstract]:In the presence of mixed acid ( concentrated sulfuric acid and concentrated phosphoric acid ) , it is used as reducing agent and modifying agent in the presence of mixed acid ( concentrated sulfuric acid and concentrated phosphoric acid ) . The results show that Fe _ 3O _ 4 / HG can achieve better photocatalytic activity in short time . The results show that Fe _ 3O _ 4 / HG can achieve better photocatalytic activity in short time . The results show that the Fe _ 3O _ 4 / HG can achieve better photocatalytic activity in water . The results show that the Fe _ 3O _ 4 / HG has a higher charge carrier mobility . The results show that the Fe _ 3O _ 4 / HG has a higher charge carrier mobility . The results show that the Fe _ 3O _ 4 / HG has a higher charge carrier mobility . The results show that the Fe _ 3O _ 4 / HG has a higher charge carrier mobility . The results show that the Fe _ 3O _ 4 / HG has a higher charge carrier mobility . The results show that the Fe _ 3O _ 4 / HG has a higher charge carrier mobility . The results show that the Fe _ 3O _ 4 / HG has a higher charge carrier mobility . GFP had the highest tensile strength ( 198.13 Mpa ) , maximum absorption energy ( 0.58 J ) , large maximum strain ( 629.57 % ) and Young ' s modulus ( 0.31 Gpa ) . The results show that TiO _ 2 / HG has better photocatalytic efficiency . The results show that TiO _ 2 / HG has better photocatalytic efficiency . The results show that TiO _ 2 / HG has better photocatalytic efficiency . The results show that TiO _ 2 / HG has better photocatalytic efficiency .

【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB332

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