石墨烯、二氧化鈦納米線組裝體的功能化設(shè)計(jì)及可控合成.pdf

1、以一維納米纖維、納米棒、納米管等幾何形貌為代表的低維納米結(jié)構(gòu)體系蘊(yùn)含豐富多彩的化學(xué)、物理現(xiàn)象，一直是材料領(lǐng)域的研究前沿和熱點(diǎn)。由于單一材料已然無(wú)法突破性能上的限制，對(duì)它們進(jìn)行有效集成、組裝是實(shí)現(xiàn)性能突破的有效途徑。本文圍繞石墨烯、TiO2納米線的有序組裝和可控合成，獲得一類新穎的二維還原氧化石墨烯(RGO)/鈦酸納米線網(wǎng)狀濾膜，在連續(xù)流反應(yīng)中，對(duì)水中污染物吸附性能優(yōu)良。本文還可控制備了新型一維RGO/TiO2納米線，創(chuàng)新性地開(kāi)展了對(duì)單根

2、納米線的電學(xué)性能的探索性研究。主要內(nèi)容包括如下:
　　(1)采用超聲破碎法對(duì)改性Hummer法制備的氧化石墨烯(GO)大小進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，GO大小由2.3μm逐漸降低0.5μm以下。隨著超聲破碎增加至32 min，GO發(fā)生還原反應(yīng)導(dǎo)致生成RGO。因此，本文將超聲破碎的時(shí)間優(yōu)化為16 min，此時(shí)GO大小小于0.5μm，并保持氧化狀態(tài)，便于后續(xù)開(kāi)展與TiO2的組裝工作。
　　(2)以P25為前驅(qū)物，采用水熱法可控合成鈦酸納米線，

3、其生長(zhǎng)機(jī)理為:i）在水熱反應(yīng)，TiO2顆粒首先發(fā)生熟化，即較小粒徑的顆粒逐漸溶解，較大粒徑的顆粒逐漸長(zhǎng)大，同時(shí)NaOH溶液中的OH-和H2O進(jìn)入TiO2晶粒并與晶格中的鈦原子或氧原子反應(yīng)，生成鈦羥基，導(dǎo)致TiO2顆粒酥松多孔，逐漸形成多孔大直徑球狀物。ii）隨著反應(yīng)的進(jìn)行，由于Na+離子的插層作用，生成鈦酸鈉，在球狀顆粒表面形成鈦酸鈉納米帶，片層不斷往外延伸生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致球體瓦解，剩下鈦酸鈉納米帶。iii）在劈裂機(jī)理作用下，鈦酸鈉片層發(fā)

4、生割裂，形成有序的納米線束形態(tài)，超聲分散后，線束中納米線分離，最終形成納米線。此外，通過(guò)精細(xì)調(diào)控水熱反應(yīng)的堿種類、水熱時(shí)間以及酸洗條件，獲得了四種不同形貌的鈦酸納米材料:多孔納米球、納米帶、納米線、納米管。將大小不同的石墨烯，按照不同配比與鈦酸鈉納米線進(jìn)行復(fù)合，復(fù)合生成“海膽狀”、“交織膜狀”、鈦酸納米管與氧化石墨烯有序交織狀的復(fù)合物。
　　(3)將鈦酸納米線與GO進(jìn)行可控組裝，獲得二維(RGO)/鈦酸納米線網(wǎng)狀濾膜。其組裝機(jī)理為

5、:i）在以范德華力為主的非共價(jià)鍵作用下，GO進(jìn)攻鈦酸納米線;ii）GO片自發(fā)卷曲，包覆在一根或相鄰的多根鈦酸納米線表面;iii）加入水合肼后，GO被還原為RGO，為減少的表面自由能，不同納米線上的RGO相互吸引;在節(jié)點(diǎn)處的RGO吸引更多在溶液中游離的RGO至表面，使得交聯(lián)點(diǎn)的RGO增厚，交聯(lián)更加穩(wěn)固。最終，形成二維RGO/鈦酸納米線網(wǎng)狀膜。
　　(4)設(shè)計(jì)了一套新穎的微濾成膜裝置，由注射器、微量進(jìn)樣器、濾頭組成。通過(guò)精細(xì)調(diào)控成膜過(guò)

6、程的流速、體積、壓力、時(shí)間等變量，使鈦酸納米線和RGO快速、均勻組裝成膜。利用此裝置制備的二維RGO/鈦酸納米線網(wǎng)狀濾膜表面平滑、顏色均勻，且可自我支撐，在多次彎曲后，仍保持濾膜結(jié)構(gòu)完整。選用羅丹明B的水溶液作為模型，RGO/鈦酸納米線濾膜，脫色率高達(dá)98％以上，可高效去除水溶液中的有機(jī)污染物。其中，鈦酸納米線作為骨架支撐石墨烯并有效避免其團(tuán)聚，石墨烯裸露豐富的吸附活性位，發(fā)揮高效的吸附作用。該濾膜在吸附飽和后，采用次氯酸水溶液去除被吸