基于二維納米片層的雜化材料制備與性能研究.pdf

1、石墨烯、過渡金屬碳/氮化物(MXenes)等二維納米材料擁有許多優(yōu)異物理、化學(xué)和力學(xué)性能，在能量存儲、環(huán)境治理、聚合物基復(fù)合材料等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。但是，二維材料在某些場合單獨使用時仍存在許多不足與局限，嚴(yán)重限制了二維納米材料的廣泛應(yīng)用。例如，層間作用力的存在使石墨烯容易發(fā)生二次堆疊;石墨烯因其表面惰性很難均勻分散在聚合物基體中;雖然MXenes具有較高導(dǎo)電性和表面活性，但是MXenes片層間存在較大接觸電阻，限制了MXenes導(dǎo)

2、電網(wǎng)絡(luò)的形成。為此，設(shè)計基于二維納米片層的雜化結(jié)構(gòu)是拓寬二維材料應(yīng)用的重要手段。我們在超臨界二氧化碳流體(scCO2)輔助下制備了多種石墨烯基納米雜化材料，解決了雜化組分在石墨烯表面分散不均勻的問題，拓寬了石墨烯的應(yīng)用。另外，我們在聚合物基體中構(gòu)建了連續(xù)的Mxenes傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，制備了具有高導(dǎo)電和優(yōu)秀電磁屏蔽性能的聚合物基復(fù)合材料。取得的主要研究結(jié)果如下:
　　(1)通過scCO2輔助負(fù)載以及石墨烯原位還原Fe2O3制備了多種石墨烯

3、納米雜化材料:在石墨烯表面均勻沉積催化劑納米顆粒是制備碳納米管/石墨烯(CNT@G)三維雜化材料的關(guān)鍵。我們在scCO2流體輔助下將Fe2O3沉積在化學(xué)惰性的石墨烯表面，借助石墨烯的還原作用將Fe2O3原位轉(zhuǎn)變?yōu)榱銉rFe。通過XRD和TGA-MS測試等手段，提出并證實了石墨烯的還原機理。隨后，以石墨烯表面原位形成的零價Fe作為催化劑，通過化學(xué)氣相沉積法制備了CNT@G三維雜化材料。此外，通過控制單質(zhì)Fe的氧化速率，獲得了γ-Fe2O3@

4、G和α-Fe2O3@G雜化材料。
　　(2)在scCO2流體輔助下制備了AlOOH@石墨烯納米雜化材料，研究其氟離子吸附性能:利用高效、綠色的scCO2輔助法制備了具有規(guī)整立構(gòu)的AlOOH@RGO納米雜化材料。AlOOH納米片層均勻插接在RGO表面，形成的三維結(jié)構(gòu)具有513 m2·g-1的比表面積。得到的立構(gòu)結(jié)構(gòu)中存在許多空隙，有助于吸附其它物質(zhì)。雜化材料在低濃度的氟離子水體中表現(xiàn)出優(yōu)異氟離子吸附性能。AlOOH@RGO雜化材料呈

5、現(xiàn)優(yōu)秀的氟離子吸附量(118.7 mg·g-1)，高于其它同類型的鋁基吸附劑。同時AlOOH@RGO穩(wěn)定的雜化結(jié)構(gòu)使材料表現(xiàn)出很好的分離特性。研究了AlOOH@RGO的吸附機理以及pH值和共離子對吸附性能的影響。
　　(3)在scCO2流體輔助下開展Al2O3@石墨烯納米雜化材料的制備及其電絕緣導(dǎo)熱研究:電子器件熱管理領(lǐng)域?qū)Ω邔?dǎo)熱的電絕緣納米材料的需求大。雖然高品質(zhì)石墨烯具有高導(dǎo)熱性，是制備導(dǎo)熱材料的理想選擇，但是如何充分利用石墨

6、烯的導(dǎo)熱性但同時抑制其高導(dǎo)電性仍是一個難題。為此，我們利用在scCO2輔助下在高品質(zhì)石墨烯納米微片(GNPs)惰性表面沉積電絕緣Al2O3包覆層，抑制了GNPs導(dǎo)電性。將Al2O3@GNP納米雜化材料與環(huán)氧樹脂復(fù)合，制備了導(dǎo)熱但電絕緣的Al2O3@GNP/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。在保證電絕緣條件下，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料導(dǎo)熱率高達(dá)0.96 W·m-1·K-1，是純環(huán)氧樹脂(0.22W·m-1·K-1)的436％，表明制備的雜化材料是一種理想的導(dǎo)熱電

7、絕緣填料。
　　(4)通過靜電自組裝制備了三維Ti3C2Tx@聚苯乙烯納米復(fù)合材料，開展其電磁屏蔽研究:首先以有機季銨鹽作為穩(wěn)定劑和接枝單體，制備了帶正電的聚苯乙烯(PS)微球，隨后PS微球與帶負(fù)電的Ti3C2Tx發(fā)生靜電組裝，獲得Ti3C2Tx@PS殼核雜化材料，經(jīng)高壓模壓，成功制備了具有三維Ti3C2Tx導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的Ti3C2Tx@PS納米復(fù)合材料。Ti3C2Tx三維網(wǎng)絡(luò)提高了復(fù)合材料導(dǎo)電性和電磁屏蔽性能，復(fù)合材料的導(dǎo)電逾滲閾值