石墨烯基無機(jī)納米復(fù)合材料的可控合成及性能研究.pdf

1、由于石墨烯具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)柔韌性、超高的電導(dǎo)率、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性以及巨大的比表面積，石墨烯在納米材料的制備與應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，將擁有優(yōu)異性能的石墨烯與其他功能納米材料相結(jié)合制備石墨烯基納米復(fù)合材料，是拓展石墨烯應(yīng)用范圍的有效途徑?；诖?，本論文旨在合成多種形貌和尺寸可控的石墨烯基二元以及三元納米復(fù)合材料，發(fā)展制備石墨烯基納米復(fù)合材料的新方法、探索其合成機(jī)理、考察復(fù)合結(jié)構(gòu)的形貌和微結(jié)構(gòu)，并將其運(yùn)用于光催化、超級電容器、對硝基苯酚(4

2、-NP)催化加氫等領(lǐng)域中。主要研究內(nèi)容如下:
　　1.利用Ag+與氧化石墨烯(GO)片層之間的靜電相互作用，成功的制備出一種新穎的Ag2O/GO可見光光催化材料，并利用X-射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)對所得產(chǎn)物進(jìn)行表征。通過對亞甲基藍(lán)(MB)的光催化降解來評價(jià)Ag2O/GO的光催化活性。結(jié)果表明，在可見光照射下，Ag2O/GO納米復(fù)合材料光催化降解MB的催化性能明顯高于單獨(dú)Ag2O納米粒子。催化活性提

3、高的原因主要?dú)w因于與GO復(fù)合之后，Ag2O納米粒子的尺寸變小，光生電子-空穴對能有效的進(jìn)行分離，吸附性能也顯著提高。此外，我們研究了Ag2O/GO催化降解MB的動(dòng)力學(xué)過程，提出了MB光催化降解的機(jī)理，為發(fā)展高活性的可見光響應(yīng)的光催化劑提供了方向。
　　2.采用原位生長與自組裝的方法，成功的將CeO2納米粒子復(fù)合到還原氧化石墨烯(RGO)片的表面。所得產(chǎn)物用XRD、Raman和TEM進(jìn)行表征。結(jié)果表明與原位生長途徑相比，采用自組裝途

4、徑制備的RGO/CeO2納米復(fù)合材料，其CeO2納米粒子負(fù)載更為均勻，且負(fù)載密度可以通過簡單的改變CeO2的起始加料量而加以調(diào)控。與RGO復(fù)合之后，CeO2納米粒子的光生電子-空穴對能有效的進(jìn)行分離，吸附性能也顯著提高。在模擬太陽光的照射下，RGO/CeO2納米復(fù)合材料光催化降解MB的活性明顯優(yōu)于CeO2納米粒子。而且RGO/CeO2的光催化活性可以通過改變CeO2的負(fù)載量而簡單加以調(diào)節(jié)。這種簡單的自組裝方法可以推廣到在石墨烯表面負(fù)載分

5、布高度均勻的其他功能納米材料，從而在催化、傳感和能源等方面得到應(yīng)用。
　　3.采用自組裝與高溫煅燒相結(jié)合的方法成功制備出具有優(yōu)異超級電容性能的RGO/CeO2納米復(fù)合材料。系統(tǒng)研究了其結(jié)構(gòu)、形貌與組成。發(fā)現(xiàn)RGO作為載體能有效阻止CeO2納米粒子在煅燒時(shí)發(fā)生團(tuán)聚。在5mV s-1的掃速下，RGO/CeO2作為超級電容器電極材料的單位比電容為265 F g-1，且循環(huán)1000次后電容不發(fā)生明顯衰減。該復(fù)合材料電化學(xué)性能提高的原因可歸

6、因于RGO與CeO2的協(xié)同作用機(jī)制。優(yōu)異的電化學(xué)性能使得RGO/CeO2納米復(fù)合材料在超級電容器領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　4.利用十八胺(ODA)作為還原劑與分散劑，我們開發(fā)出了一種合成半導(dǎo)體量子點(diǎn)(SQDs)/石墨烯復(fù)合材料的通用方法，成功地將一系列金屬氧化物與硫化物SQDs均勻的附著于RGO的表面。采用XRD，Raman，紅外光譜(FT-IR)，X-射線光電子能譜(XPS)與TEM等對合成產(chǎn)物進(jìn)行了表征。通過紫外-可見(U

7、V-vis)與光致發(fā)光(PL)光譜系統(tǒng)研究了制備的RGO/SQDs納米復(fù)合材料的光學(xué)性質(zhì)。我們將RGO/NiO應(yīng)用于超級電容器電極材料，以探索RGO/SQDs納米復(fù)合材料的潛在應(yīng)用。研究表明，RGO/NiO顯示出增強(qiáng)的電容特性與優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能。這類RGO/SQDs納米復(fù)合材料在能源、催化、光敏、光電等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
　　5.發(fā)展了一種簡易的兩步合成方法，將貴金屬（Pt、Au和Ag）納米粒子成功復(fù)合于CeO2修飾的RG

8、O片表面。Pt、Au和Ag納米粒子的尺寸分別為5、2與10nm。以NaBH4還原4-NP為模型反應(yīng)，考察了制備的貴金屬/RGO/CeO2三元納米復(fù)合材料的催化性能。發(fā)現(xiàn)在這些三元復(fù)合體系中，CeO2的引入可以顯著提高RGO/Pt、RGO/Au和RGO/Ag納米復(fù)合材料的催化性能，同時(shí)提出了三元復(fù)合體系催化性能增強(qiáng)的可能機(jī)理。
　　6.采用一種簡易的環(huán)境友好的合成方法制備出由RGO、Fe3O4和Ag納米粒子構(gòu)成的三元復(fù)合體系。研究表

9、明，Ag與Fe3O4納米粒子密集而均勻的附著于RGO的表面。RGO/Ag/Fe3O4顯示室溫超順磁行為。Fe3O4的引入可以調(diào)節(jié)Ag納米粒子在RGO表面的分散，減小其粒徑，同時(shí)有效提高RGO/Ag納米復(fù)合材料對4-NP加氫的催化性能。催化反應(yīng)結(jié)束后，RGO/Ag/Fe3O4可以在外磁場的作用下方便地回收再利用。我們提出了Ag納米粒子粒徑減小以及三元復(fù)合體系催化性能增強(qiáng)的可能機(jī)理。RGO/Ag/Fe3O4簡易的制備方法以及優(yōu)異的磁性與催化