氧化石墨和聚吡咯-氧化石墨納米復(fù)合材料的制備、表征及應(yīng)用研究.pdf

1、導(dǎo)電聚合物/層狀無機物納米復(fù)合材料中導(dǎo)電聚合物和層狀無機物片層的納米復(fù)合，賦予了復(fù)合材料優(yōu)異的力學、熱學、電學和電化學性能。因此，導(dǎo)電聚合物/層狀無機物納米復(fù)合材料已成為新型功能材料的主要研究方向之一。 本文主要探討了目前研究較多的層狀無機物——氧化石墨的制備工藝，系統(tǒng)地考察了石墨用量、硝酸鈉用量、低溫反應(yīng)時間、高錳酸鉀用量以及高溫反應(yīng)過程中的加水方式對氧化石墨結(jié)構(gòu)和性能的影響，確立了制備具有較高氧化程度的氧化石墨的工藝方法和工

2、藝條件。在制備出氧化程度較高的氧化石墨的基礎(chǔ)上，以氧化石墨作為插層主體，聚吡咯作為插層客體，采用原位聚合法制備了聚吡咯/氧化石墨納米復(fù)合材料。系統(tǒng)地考察了添加劑種類、氧化石墨懸浮液的質(zhì)量分數(shù)、十二烷基苯磺酸鈉與吡咯的摩爾比(DBSNa：py)、氧化劑FeCl3與吡咯的摩爾比(FeCl3：py)和反應(yīng)溫度等工藝因素對聚吡咯/氧化石墨納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能等的影響。初步探討了聚吡咯/氧化石墨納米復(fù)合材料用作DNA生物傳感器電極時的電化學特性

3、。 研究結(jié)果表明，采用Hummers法以天然鱗片石墨為原料制備氧化石墨時，XRD分析和電阻率測量結(jié)果可表征產(chǎn)物的氧化程度。氧化程度足夠高的產(chǎn)物其XRD譜在2θ為10°附近出現(xiàn)尖銳的氧化石墨(001)面的特征衍射峰，電阻率達102Ωm的數(shù)量級。高錳酸鉀用量是影響產(chǎn)物氧化程度的主要因素，而硝酸鈉用量對產(chǎn)物氧化程度的影響很小。高錳酸鉀用量越大，石墨用量越少，低溫氧化時間越長，產(chǎn)物的氧化程度越高，電阻率越大。采用連續(xù)加水的方式，將高溫反

4、應(yīng)的溫度控制在100℃左右才可得到穩(wěn)定的氧化石墨。制備較高氧化程度的氧化石墨的原料配比及工藝條件為：天然鱗片石墨10g，高錳酸鉀30g，濃硫酸230ml，低溫反應(yīng)時間2h，高溫反應(yīng)時需采取連續(xù)加水的方式將反應(yīng)液的溫度控制在100℃以內(nèi)。 研究結(jié)果表明，采用原位聚合法制備聚吡咯/氧化石墨納米復(fù)合材料時，添加劑對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能有較大的影響，以DBSNa為添加劑可得到具有良好層狀有序結(jié)構(gòu)的聚吡咯/氧化石墨插層納米復(fù)合材料，而未加添加

5、劑或以NaOH為添加劑時，產(chǎn)物為剝離型聚吡咯/氧化石墨納米復(fù)合材料。插層型聚吡咯/氧化石墨納米復(fù)合材料的電導(dǎo)率高于剝離型聚吡咯/氧化石墨納米復(fù)合材料，熱學性能和電化學性能也優(yōu)于剝離型聚吡咯/氧化石墨納米復(fù)合材料。 氧化石墨懸浮液的質(zhì)量分數(shù)、DBSNa與py的摩爾比、FeCl3與py的摩爾比和反應(yīng)溫度是影響PPY/GO-DBSNa納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的主要因素。在氧化石墨懸浮液的質(zhì)量分數(shù)為1％，DBSNa：py=4：3(摩爾比)

6、，F(xiàn)eCl3：py=2.4：1(摩爾比)，反應(yīng)溫度為0℃的工藝條件下，可制備出具有層狀有序結(jié)構(gòu)的插層型PPY/GO-DBSNa納米復(fù)合材料，其電導(dǎo)率可達0.5S/cm。隨著GO質(zhì)量分數(shù)的增大，PPY/GO-DBSNa中PPY分子鏈的規(guī)整性提高，導(dǎo)電率增大，當GO的質(zhì)量分數(shù)超過1％時，PPY/GO-DBSNa納米復(fù)合材料的層狀有序性降低，電導(dǎo)率減小。隨著反應(yīng)溫度的升高和DBSNa：py摩爾比的減少，PPY/GO-DBSNa納米復(fù)合材料逐漸

7、由插層型變?yōu)閯冸x型，電導(dǎo)率也逐漸降低。當FeCl3：py=2.4時，PPY/GO-DBSNa納米復(fù)合材料的電導(dǎo)率最大。FeCl3：py＜2.4時，PPY/GO-DBSNa納米復(fù)合材料的電導(dǎo)率隨FeCl3：py的增加而增大，F(xiàn)eCl3主要起摻雜劑的作用。FeCl3：py＞2.4時，反應(yīng)體系中FeCl3的含量過高，會造成PPY的過度氧化，降低PPY/GO-DBSNa納米復(fù)合材料的電導(dǎo)率。 研究結(jié)果表明，聚吡咯/氧化石墨插層納米復(fù)合材

8、料修飾炭糊電極具有良好的電化學活性和電化學穩(wěn)定性，對小牛胸腺單鏈DNA和雙鏈DNA有不同的電化學響應(yīng)，能用于鑒別單鏈DNA和雙鏈DNA。固定有小牛胸腺單鏈DNA的聚吡咯/氧化石墨復(fù)合材料修飾炭糊電極在-0.48V處可監(jiān)測到互補DNA的雜交信號，在pH=7.2，吸附時間為30分鐘時，雜交響應(yīng)電流最大。峰電流隨小牛胸腺ssDNA濃度的增大而增大，在5.7×10-9g/ml～6.79×10-6g/ml的濃度范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。聚吡咯/氧化石墨修