双掺杂三维石墨烯基材料的制备、表征和应用
发布时间：2020-09-10 16:41
三维石墨烯是近年来备受关注的无机材料,由二维石墨烯搭建而成。三维石墨烯不仅保留了二维石墨烯比表面积大、导电性好、机械强度高等优点,还因其稳定的三维结构而解决了二维石墨烯容易团聚和难以回收的缺点。因此,三维石墨烯具备更好的循环和实际应用性能。本论文立足于三维石墨烯的发展现状,从三维石墨烯的制备方法入手,对三维石墨烯的性能和实际应用进行了一系列研究。本论文共分为五章。第一章,文献综述,主要介绍了三维石墨烯及其复合材料常用的制备方法,物化性质和在不同领域的应用。第二章,选用生物小分子磷酸乙醇胺作为交联剂和表面修饰剂,制备磷氮双基团同时修饰的超双亲三维石墨烯泡沫PNGF并应用于水体净化。PNGF具有大量亲水基团,因此对液体有着优异的浸润特性,对水、油、有机染料和重金属离子有着良好的吸附性能。多种液体都具有很高的吸附容量,对水中的有机染料、重金属离子等污染物也有很好的吸附效果,Pb(II)和Cd(Ⅱ)能够在10分钟内被快速有效地吸附,相较于传统的震荡搅拌模式大大节省了时间。第三章,利用重要的营养小分子牛磺酸作为前驱体,制备了 N/S双原子掺杂的三维石墨烯泡沫a-NSGF。a-NSGF具有稳定的三维骨架结构和良好的导电性,高温使异原子进入到石墨烯晶格网络中,大大提高了其电催化活性。我们利用a-NSGF成功构建了无酶H202生物传感器,实现了 H202灵敏、快速、便捷的测定。传感器制备简单,信号稳定,易于保存,在长达两个月的超长储备时间内检测活性几乎无损。第四章,选用廉价的工业试剂氨基苯磺酸作为表面修饰剂,通过调节其种类、用量及制备条件,如体系pH值和退火温度等,系统讨论了影响三维石墨烯泡沫微观结构和化学性质的因素,并对反应过程中的机理进行了初步探索。通过对制备条件的调控,材料的化学组成发生变化,实现了 SNGF表面浸润性由双亲向单亲的转变,并能够利用不同的退火温度获得憎水程度不同的三维石墨烯泡沫。第五章,总结与展望。
【学位单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11
【部分图文】：
烯具备富电子特性［１４］。石墨烯还可以通过非共价方式，如范德华力、７ｔ－７Ｔ堆积、静电相互作逡逑用、氢键、疏水作用力等，与聚合物、金属、金属氧化物等其他组分组成复合材料。逡逑单体石墨烯片可以组装成不同维度的材料（图１．１）：邋一维（纤维），二维（薄膜）或三逡逑维（框架）。例如，通过湿法纺织，在狭窄的微型管中将ＧＯ分散体系通过化学法或水热法逡逑进行还原，可制备ｒＧＯ纤维。二维薄膜通常利用溶液体系进行制备，如涂抹法、溶剂蒸发法、逡逑真空过滤法、旋涂法或沉降法等［１５，１６］。后续使用光化学法，利用激光、可见光、紫外光等对逡逑薄膜进行处理，还可进一步提高薄膜的性能［１７］。三维石墨烯框架结构则通常利用水热、化学逡逑或电化学等方法还原搭建［１８］，或在金属或泡沫模板上通过ＣＶＤ制备，然后除去模板组装而逡逑成。石墨烯基的宏观材料具有大的比表面积和各种交联位点，是极具潜力的气体传感器、弹逡逑性应变传感器和自修复材料。逡逑ａ逦ｂ逦ｃ逦ｄ＇逡逑Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ邋Ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｔｕｂ?
通过添加具有化学活性的功能性组分，可以促进ＧＯ水溶液在更为温和的条件Ｋ进行自逡逑组装。Ｌｅｅ等［２８］报道了以聚苯乙烯为枝接体，氧化石墨烯（ＧＯ）为前驱体，利“呼吸图”逡逑法制备三维大孔自组装碳膜的方法。如图１．３所示，石墨烯纳米片分散在苯中并置于基底上，逡逑然后通入潮湿的空气气流。挥发性有机溶剂蒸发吸热，使有机溶液表面的水滴自发凝聚并紧逡逑密堆积。溶剂蒸发完后，将基底上的枝接ＧＯ进行干燥并通过热解去除聚合物，便形成了一逡逑个柔韧的、由还原型氧化石墨烯（ｒＧＯ）组成的大孔三维碳膜。在该方法中，孔的大小和数逡逑０可通过有机物的浓度和聚合物的链长进行有效调控，实现了高效、有序、可控的自组装合逡逑成。逡逑４逡逑
模板导向的化学气相沉积法是制备三维石墨烯的另一种重要且简便的方法。Ｃｈｅｎ等［３５］逡逑首先报道了这种方法。他们利用三维交联的镍泡沫作模板，获得了三维石墨烯泡沫（ＧＦｓ）。逡逑如图１．５所示，在常压１邋０００邋°Ｃ下分解ＣＨ４，将碳引入并沉积在镍泡沫模板的表面上。由于镍逡逑泡沫和石墨烯的热膨胀系数不同，在石墨烯薄膜上形成了波纹和褶皱。这一现象提升了材料逡逑的机械咬合作用，使材料对聚合物具备更为良好的粘附力，便于制备不同功能的复合材料。逡逑利用这一性质，将聚甲基丙烯酸甲酯（ＰＭＭＡ）沉积在石墨稀膜的表面上，对石墨烯膜起到逡逑了良好的保护作用，有效防止了石墨烯网络在热ＨＣ１或ＦｅＣｌ３溶液蚀刻除去镍骨架的过程中逡逑发生塌陷。最后，ｆｆ］热丙酮除去ＰＭＭＡ涂层，便获得了连续且完整的三维石墨烯泡沫。ＧＦ逡逑复制了镍泡沫模板三维交联的网络结构，为电荷的传递提供了快速且相互连通的传输通道，逡逑因此，制备的ＧＦ电导率约为１０邋Ｓ／ｃｍ，比化学法合成制备石墨烯基材料高出６个数蜇级。逡逑ａ邋Ｎｉ邋ｆｏａｍ逦ｂ邋Ｎｉ－Ｇ逦Ｃ邋Ｎｉ－Ｇ－ＰＭＭＡ逡逑ｍ＾ｍ逡逑ＦｅＣＩ＾ＨＣＩ邋Ｎｉ邋ｅｔｃｈｉｎｇ逡逑ｆ邋
本文编号：2816053
【学位单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11
【部分图文】：
烯具备富电子特性［１４］。石墨烯还可以通过非共价方式，如范德华力、７ｔ－７Ｔ堆积、静电相互作逡逑用、氢键、疏水作用力等，与聚合物、金属、金属氧化物等其他组分组成复合材料。逡逑单体石墨烯片可以组装成不同维度的材料（图１．１）：邋一维（纤维），二维（薄膜）或三逡逑维（框架）。例如，通过湿法纺织，在狭窄的微型管中将ＧＯ分散体系通过化学法或水热法逡逑进行还原，可制备ｒＧＯ纤维。二维薄膜通常利用溶液体系进行制备，如涂抹法、溶剂蒸发法、逡逑真空过滤法、旋涂法或沉降法等［１５，１６］。后续使用光化学法，利用激光、可见光、紫外光等对逡逑薄膜进行处理，还可进一步提高薄膜的性能［１７］。三维石墨烯框架结构则通常利用水热、化学逡逑或电化学等方法还原搭建［１８］，或在金属或泡沫模板上通过ＣＶＤ制备，然后除去模板组装而逡逑成。石墨烯基的宏观材料具有大的比表面积和各种交联位点，是极具潜力的气体传感器、弹逡逑性应变传感器和自修复材料。逡逑ａ逦ｂ逦ｃ逦ｄ＇逡逑Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ邋Ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｔｕｂ?
通过添加具有化学活性的功能性组分，可以促进ＧＯ水溶液在更为温和的条件Ｋ进行自逡逑组装。Ｌｅｅ等［２８］报道了以聚苯乙烯为枝接体，氧化石墨烯（ＧＯ）为前驱体，利“呼吸图”逡逑法制备三维大孔自组装碳膜的方法。如图１．３所示，石墨烯纳米片分散在苯中并置于基底上，逡逑然后通入潮湿的空气气流。挥发性有机溶剂蒸发吸热，使有机溶液表面的水滴自发凝聚并紧逡逑密堆积。溶剂蒸发完后，将基底上的枝接ＧＯ进行干燥并通过热解去除聚合物，便形成了一逡逑个柔韧的、由还原型氧化石墨烯（ｒＧＯ）组成的大孔三维碳膜。在该方法中，孔的大小和数逡逑０可通过有机物的浓度和聚合物的链长进行有效调控，实现了高效、有序、可控的自组装合逡逑成。逡逑４逡逑
模板导向的化学气相沉积法是制备三维石墨烯的另一种重要且简便的方法。Ｃｈｅｎ等［３５］逡逑首先报道了这种方法。他们利用三维交联的镍泡沫作模板，获得了三维石墨烯泡沫（ＧＦｓ）。逡逑如图１．５所示，在常压１邋０００邋°Ｃ下分解ＣＨ４，将碳引入并沉积在镍泡沫模板的表面上。由于镍逡逑泡沫和石墨烯的热膨胀系数不同，在石墨烯薄膜上形成了波纹和褶皱。这一现象提升了材料逡逑的机械咬合作用，使材料对聚合物具备更为良好的粘附力，便于制备不同功能的复合材料。逡逑利用这一性质，将聚甲基丙烯酸甲酯（ＰＭＭＡ）沉积在石墨稀膜的表面上，对石墨烯膜起到逡逑了良好的保护作用，有效防止了石墨烯网络在热ＨＣ１或ＦｅＣｌ３溶液蚀刻除去镍骨架的过程中逡逑发生塌陷。最后，ｆｆ］热丙酮除去ＰＭＭＡ涂层，便获得了连续且完整的三维石墨烯泡沫。ＧＦ逡逑复制了镍泡沫模板三维交联的网络结构，为电荷的传递提供了快速且相互连通的传输通道，逡逑因此，制备的ＧＦ电导率约为１０邋Ｓ／ｃｍ，比化学法合成制备石墨烯基材料高出６个数蜇级。逡逑ａ邋Ｎｉ邋ｆｏａｍ逦ｂ邋Ｎｉ－Ｇ逦Ｃ邋Ｎｉ－Ｇ－ＰＭＭＡ逡逑ｍ＾ｍ逡逑ＦｅＣＩ＾ＨＣＩ邋Ｎｉ邋ｅｔｃｈｉｎｇ逡逑ｆ邋
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