氧化石墨烯-無(wú)機(jī)納米粒子復(fù)合材料的可控合成及性能研究.pdf

1、石墨烯是由碳原子以sp2雜化構(gòu)成的新型碳質(zhì)納米材料，具有可延展的二維平面，且只有一個(gè)碳原子的厚度，呈現(xiàn)周期性六邊形排列的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。因?yàn)槠渚哂袀鹘y(tǒng)材料所沒(méi)有的新穎的物理化學(xué)性質(zhì)，成為最近納米技術(shù)研究關(guān)注的熱點(diǎn)對(duì)象。氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)是石墨經(jīng)過(guò)氧化、剝離處理后的產(chǎn)物，與石墨烯相比，它同樣具有二維平面結(jié)構(gòu)和六角形晶格，具備出色的物理化學(xué)特性，如熱性能、機(jī)械性能、光學(xué)性質(zhì)、巨大的比表面積等；并且由于其片層表面和邊

2、緣有活潑官能團(tuán)的存在，如羥基、環(huán)氧鍵、羰基和羧基，使得氧化石墨烯具有良好的溶解性和可改性加工性能。這些使得氧化石墨烯成為納米復(fù)合材料中的一個(gè)理想骨架。本文旨在構(gòu)筑多種尺寸和性能可控的氧化石墨烯基無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料，考察復(fù)合物的形貌、結(jié)構(gòu)和性能，探索其在光催化、SERS增強(qiáng)、電化學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴研究不同粒徑Au、Ag納米粒子組裝的GO-Au、GO-Ag復(fù)合物的可控合成，并考察它們的尺寸依賴(lài)性。合成過(guò)程包括

3、兩個(gè)步驟：第一步，合成粒徑不同的Au、Ag納米顆?；蛉苣z；第二步，在水-正丁胺合成體系中，將納米粒子與GO復(fù)合。正丁胺除了預(yù)插層GO的作用，還起到還原并錨定納米顆粒于GO上。透射電鏡圖片顯示制備的Au、Ag納米粒子單分散性較好、尺寸分布均勻，并隨機(jī)負(fù)載在GO片層上；紫外可見(jiàn)光吸收光譜顯示，隨著粒子尺寸的增大，Au或Ag納米粒子的表面等離子體共振吸收峰發(fā)生了明顯的紅移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合物的一些性能顯示出明顯的尺寸依賴(lài)性。隨著Ag納米粒子

4、尺寸的增加，GO-Ag的表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)明顯增加；同時(shí)隨著Au納米粒子尺寸的增加，GO-Au催化氧化乙二醇制乙二醛的產(chǎn)率降低。⑵采用不同碳鏈長(zhǎng)度的烷基溴化銨作為鹵源，構(gòu)建Ag/AgBr/GO納米復(fù)合物。研究復(fù)合物的光催化活性和表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)與制備過(guò)程中烷基溴化銨的碳鏈長(zhǎng)度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，碳鏈長(zhǎng)度降低時(shí)，AgBr光分解為A g的速率加快，Ag/AgBr/GO的可見(jiàn)光催化活性降低，但SERS效應(yīng)反而出現(xiàn)增強(qiáng)。拉曼散射研究表明

5、，所制備的Ag/AgBr/GO納米復(fù)合物不僅能夠增強(qiáng)GO的拉曼信號(hào)，還可以作為SERS基底增強(qiáng)染料分子的拉曼信號(hào)。由于兼具光催化活性和SERS效應(yīng)，Ag/AgBr/GO-CTAB和Ag/AgBr/GO-DTAB納米復(fù)合物可以作為可循環(huán)SERS基底重復(fù)使用。⑶采用乳化爆燃法制備了納米氧化鈽（Ce02)、氧化鐵（Fe203)和鐵酸銅(CuFe204)，并成功將它們負(fù)載到GO上，分別得到G0-Ce02、G0-Fe203、GO-CuFe204。

6、利用X射線衍射、透射電鏡以及紫外-可見(jiàn)光吸收光譜對(duì)合成樣品的結(jié)構(gòu)、形貌進(jìn)行了表征和分析。結(jié)果表明：以爆燃法合成的Ce02、a-Fe203、CuFe204納米粒子較為純凈，平均粒徑分別約為29.1nm、60.0nm、13.5nm;它們負(fù)載到GO上后，粒子團(tuán)聚現(xiàn)象有所改善；G0-Ce02和G0-CuFe204在紫外光及可見(jiàn)光區(qū)域具有很好的光響應(yīng)能力。汞燈光照下2小時(shí)后，催化劑G0-Ce02、G0-CuFe204對(duì)羅丹明B的光降解率分別可達(dá)9

7、2.3％、98.1%。結(jié)果表明，所得的G0-Ce02、G0-CuFe204具有優(yōu)異的光催化活性。⑷通過(guò)量子點(diǎn)表面包覆的吡啶和化學(xué)還原性石墨烯(CCG)之間的兀-兀堆積方式構(gòu)筑石墨烯-金屬硫化物/硒化物量子點(diǎn)復(fù)合材料（CCG-PbS、CCG-ZnS、CCG-CdS、CCG-MnS、CCG-PbSe、CCG-ZnSe、CCG-CdSe)?；瘜W(xué)還原性石墨烯借助靜電斥力，可以不需要分散劑存在下穩(wěn)定分散在水中。通過(guò)X射線衍射、紫外-可見(jiàn)吸收光譜、

8、透射電鏡、拉曼光譜等表征手段，考察了相應(yīng)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)、形成機(jī)理與性質(zhì)。在制備過(guò)程中，利用吡啶取代量子點(diǎn)表面結(jié)合的油胺，制備的石墨烯-量子點(diǎn)復(fù)合物能穩(wěn)定地分散于水或極性溶劑中，使得它們可用于電化學(xué)和膜材料的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。⑸分別采用碳纖維、碳納米管、氧化石墨烯作為載體，將Ti02納米粒子負(fù)載到它們的表面上，再將A u納米粒子負(fù)載到Ti02表層，從而合成了三種具有高效光催化活性的碳載Au/Ti02復(fù)合物。通過(guò)X射線衍射光譜、掃描電子顯微鏡

9、、拉曼光譜等測(cè)試表征手段，考察了所得碳載Au/Ti02復(fù)合物的結(jié)構(gòu)、形貌與性能。光催化降解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示在這三種碳載Au/Ti02復(fù)合材料的光催化存在下，經(jīng)汞燈照射2h后亞甲基藍(lán)溶液的降解率分別達(dá)到約85%、92%、95%。同時(shí)拉曼光譜檢測(cè)顯示，Au/Ti02/CF、Au/Ti02/G0具有優(yōu)秀的表面增強(qiáng)拉曼光譜效應(yīng)，可以作為SERS檢測(cè)基底來(lái)使用，并且在汞燈照射下可以“清洗”掉表面吸附的上組表面增強(qiáng)拉曼散射實(shí)驗(yàn)中的檢測(cè)分子，實(shí)現(xiàn)基底的循