高性能三维石墨烯材料的构筑、功能化及性能研究

发布时间：2020-10-26 15:12

　　 构建三维石墨烯是在宏观尺度下利用石墨烯优秀性能的主要途径。石墨烯凝胶是最为重要的三维石墨烯材料,已广泛用于传感、储能、催化、生物医学等领域。然而,石墨烯的优秀性能仍远未在现有石墨烯凝胶材料中得到充分体现。因此,开展高性能三维石墨烯材料的制备、功能化及性能研究具有重要现实意义。针对石墨烯气凝胶“大而空”造成电学和力学性能不理想的问题,建立多重凝胶法制备高密度石墨烯气凝胶。通过“刺孔”和“模具”等设计突破了氧化石墨水溶性差对提高石墨烯气凝胶密度的限制,石墨烯气凝胶密度的稳步增长导致电学和力学性能的迅速提高;高密度石墨烯气凝胶经过氮掺杂、氮硫共掺杂、引入硫堇、纳米金星和金钯纳米合金的功能化,亲水性和电催化活性得到改善,用于DNA和多巴胺超灵敏电化学检测,检出限分别达到 39×10-22gmL-1 和 3.6×10-10molL-1。针对石墨烯气凝胶使用前“撕裂”带来电学和力学特性部分丧失的问题,建立w/o/w多重乳液模板法制备石墨烯气凝胶微球。所制备的石墨烯气凝胶微球尺寸在微米级,电导率和BET比表面积分别是3250 Sm-1和1252.7m2-1,表现为超高电催化活性,用于对乙酰氨基苯酚电化学检测,检出限达到5.7×10-9mol L-1。针对石墨烯气凝胶缺少特定功能的问题,设计合成功能化纳米石墨烯表面活性剂,建立Pickering乳液软模板法制备微/纳石墨烯杂合气凝胶微球;半导体(纳米石墨烯)/导体(微米石墨烯)的特殊PN界面,微/纳石墨烯杂合气凝胶微球表现为更高的电催化活性;开发出十八胺功能化和十二胺与金钯纳米合金共同功能化的微/纳石墨烯杂合气凝胶微球,用于对乙酰氨基酚和花生过敏原Arah 1的电化学检测,检出限分别为3.8×10-10 mol L-1 和 4.7×10-23 mol L-1。针对大尺寸石墨烯片易重叠导致活性位点大量减少的问题,建立纳米石墨烯Pickering乳液模板法制备石墨烯气凝胶纳米球。采用“Pickering乳液软模板”和“水合肼低温慢还原”设计,构筑起更为精细的石墨烯网络结构;所制备的叶酸/十八烷基胺功能化石墨烯凝胶纳米球可特异性识别HepG2,产生高灵敏的电化学响应;所制备的十八烷基胺功能化石墨烯凝胶纳米球,对对苯二酚有高灵敏电化学响应,检出限达到4.9×10-12 mol L-1。针对简单物理混合不能实现石墨烯与功能材料深度融合的问题,建立以共价键结合实现石墨烯凝胶功能化的方法。组氨酸和十八胺功能化纳米石墨烯与稀土配位、随后氟离子置换和高温水热反应,得到石墨烯-稀土凝胶纳米微球。该微球亲水性强,上转换发光效率是单一稀土纳米粒子的102.7倍。该微球载药量大,通过纳米金对药物的光控释放,实现了对小鼠体内肿瘤组织的靶治疗,展示出在生物医学领域应用的巨大潜力。
【学位单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11
【部分图文】：

（通过上述Ｈｕｍｍｅｒｓ方法或其改性方法），并将其与另一种含有胶凝剂分子的水溶液混??合。例如，Ｂａｎｅｒｊｅｅ?等人用改性后的二肽（例如?Ｆｍｏｃ－Ｔｙｒ－Ａｓｐ－ＯＨ?和?Ｆｍｏｃ－Ｐｈｅ－Ａｓｐ－ＯＨ，??其中Ｔｙｒ代表酪氨酸和Ａｓｐ代表天冬氨酸）制备出一种基于ＧＯ的水凝胶（图１－１）［１５］。??在这些水凝胶中，片状ＧＯ交联形成网络，氨基酸／核苷作为物理交联剂。??图１－１用Ｆｍｏｃ－Ｔｙｒ－Ａｓｐ－ＯＨ?（ａ）和Ｆｍｏｃ－Ｐｈｅ－Ａｓｐ－ＯＨ?（ｂ）制备出的水凝胶，还原后ＧＯ含有??用Ｆｍｏｃ－Ｔｙｒ－Ａｓｐ－ＯＨ制备出的杂化水凝胶（ｃ）和还原后ＧＯ在Ｆｍｏｃ－Ｔｙｒ－Ａｓｐ－ＯＨ中的分散液??（ｄ）的光学照片［１５］??Ｆｉｇ．?１－１?Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｌｓ?ｏｂｔａｉｎｅｄ?ｆｒｏｍ?（ａ）?Ｆｍｏｃ－Ｔｙｒ－Ａｓｐ－ＯＨ

（通过上述Ｈｕｍｍｅｒｓ方法或其改性方法），并将其与另一种含有胶凝剂分子的水溶液混??合。例如，Ｂａｎｅｒｊｅｅ?等人用改性后的二肽（例如?Ｆｍｏｃ－Ｔｙｒ－Ａｓｐ－ＯＨ?和?Ｆｍｏｃ－Ｐｈｅ－Ａｓｐ－ＯＨ，??其中Ｔｙｒ代表酪氨酸和Ａｓｐ代表天冬氨酸）制备出一种基于ＧＯ的水凝胶（图１－１）［１５］。??在这些水凝胶中，片状ＧＯ交联形成网络，氨基酸／核苷作为物理交联剂。??图１－１用Ｆｍｏｃ－Ｔｙｒ－Ａｓｐ－ＯＨ?（ａ）和Ｆｍｏｃ－Ｐｈｅ－Ａｓｐ－ＯＨ?（ｂ）制备出的水凝胶，还原后ＧＯ含有??用Ｆｍｏｃ－Ｔｙｒ－Ａｓｐ－ＯＨ制备出的杂化水凝胶（ｃ）和还原后ＧＯ在Ｆｍｏｃ－Ｔｙｒ－Ａｓｐ－ＯＨ中的分散液??（ｄ）的光学照片［１５］??Ｆｉｇ．?１－１?Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｌｓ?ｏｂｔａｉｎｅｄ?ｆｒｏｍ?（ａ）?Ｆｍｏｃ－Ｔｙｒ－Ａｓｐ－ＯＨ

萄糖的ＧＯ悬浮液制备，而Ｓｈｉ等人则没有使用其他添加剂［２２］。经过冷冻干燥后，所??得的整体材料呈现出大的空隙形态，其框架结构是通过物理交联，使柔性石墨烯片部分??重叠或聚结而形成的（图１－３）。??＿?．．ｓ?－??－??：?ｈ，．．．．．．．＾．．．．．．－Ａ??■＇?＾?Ｖｏｌｔａｇｅ?（Ｖ）??图１－３?（ａ）?２?ｍｇ?ｍｌ／１?ＧＯ水分散液在１８０°Ｃ下水热还原１２小时之前和之后的照片；（ｂ）具有??强机械强度，便于操作和支撑重量；（ｃ－ｅ）具有不同放大率的内部微结构的ＳＥＭ图像；（ｆ）ＳＧＨ??的室温Ｉ－Ｖ曲线表现出欧姆特性，插图显示了用于电导率测量的双探针方法［２２］??Ｆｉｇ．?１－３?（ａ）?Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ?ｏｆ?ａ?２?ｍｇ?ｍＬ＂１?ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ?ＧＯ?ａｑｕｅｏｕｓ?ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ?ｂｅｆｏｒｅ?ａｎｄ?ａｆｔｅｒ??ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ?ａｔ?１８０?１Ｃ?ｆｏｒ?１２?ｈ；?（ｂ）?ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ?ｏｆ?ａ?ｓｔｒｏｎｇ?ＳＧＨ?ａｌｌｏｗｉｎｇ?ｅａｓｙ?ｈａｎｄｌｉｎｇ?ａｎｄ??ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ?ｗｅｉｇｈｔ；?（ｃ－ｅ）?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ＳＧＨ?ｉｎｔｅｒｉｏｒ?ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ；?（ｆ）??ｔｈｅ?ｒｏｏｍ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?Ｉ－Ｖ?ｃｕｒｖｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ＳＧＨ?ｅｘｈｉｂｉｔｉｎｇ?Ｏｈｍｉｃ?ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 张祥昕;程健;林俊鸿;陈素晶;刘永川;陈远强;王维;;石墨烯及其复合材料在去除重金属离子中的应用研发进展[J];中国金属通报;2018年09期

2 李丹;肖劲松;马琳;;2025年全球石墨烯市场发展展望[J];新材料产业;2019年03期

3 ;半导体所等在多层石墨烯物理性质研究方面取得新进展[J];中国粉体工业;2012年02期

4 钱伯章;;石墨烯材料制备技术及应用研究进展[J];石油和化工节能;2016年01期

5 ;天奈科技开发出碳纳米管与石墨烯复合锂电池助导剂[J];中国粉体工业;2016年03期

6 ;广西大学破解石墨烯制备难题 可大批量生产粉体材料[J];中国粉体工业;2016年03期

7 ;年产100吨石墨烯粉体生产线在常州投运[J];中国粉体工业;2013年06期

8 ;石墨烯标委会拟成立 石墨烯标准化制定企业待定[J];中国粉体工业;2013年06期

9 ;石墨烯行业发展部署启动 鼓励各省成立独立联盟[J];中国粉体工业;2013年06期

10 ;川大成功制备石墨烯橡胶纳米复合材料[J];中国粉体工业;2015年04期

相关博士学位论文 前10条

1 张银;太赫兹可调石墨烯超材料设计与研究[D];南京大学;2016年

2 吕杨;钴化合物/石墨烯复合材料制备及其氧还原催化性能研究[D];湖北大学;2018年

3 唐涛;羟基化石墨烯的磁性研究[D];南京大学;2015年

4 武庭瑄;基于石墨烯-贵金属纳米复合材料电化学传感器的构建及应用[D];山西大学;2018年

5 周金浩;掺杂石墨烯的可控制备及性能研究[D];电子科技大学;2018年

6 董仕鹏;石墨烯在水生生物中的富集、净化及其随食物链传递规律研究[D];南京大学;2017年

7 汪倩倩;石墨烯基材料合成及其锂二次电池中的应用[D];浙江大学;2018年

8 王建;氧化石墨烯在水环境中絮凝行为及作用机制研究[D];华北电力大学(北京);2018年

9 李瑞怡;高性能三维石墨烯材料的构筑、功能化及性能研究[D];江南大学;2018年

10 蒋雅琴;类石墨烯材料的超快非线性光学特性及应用研究[D];湖南大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 王常耀;石墨烯提升内滤效应及其量子点靶向线粒体成像的研究[D];湖南大学;2014年

2 汤春苗;CVD石墨烯制备及其电学性质的研究[D];哈尔滨理工大学;2015年

3 刘思雨;多孔石墨烯气凝胶及其衍生物的制备表征和在水处理方面应用的研究[D];南京理工大学;2018年

4 晁磊;贵金属纳米粒子/氮掺杂三维交联石墨烯复合材料的制备及电化学应用研究[D];常州大学;2017年

5 余显正;基于石墨烯-Ag纳米复合体欧姆接触的近紫外LED器件研究[D];南京大学;2017年

6 冯成成;水溶性钴酞菁/氧化石墨烯复合物的合成、表征及催化性能研究[D];辽宁大学;2013年

7 周海燕;第一性原理计算研究石墨烯、硅烯及锗烯中的π磁性[D];山西师范大学;2018年

8 雇双;硼酸及其衍生物修饰的碳材料合成及性质研究[D];辽宁大学;2013年

9 韩海霞;功能石墨烯的制备及电化学生物传感器的应用研究[D];山西师范大学;2018年

10 王志玉;氮掺杂石墨烯量子点的制备及其在生物体液检测中的应用研究[D];山西师范大学;2018年

本文编号：2857161