【摘要】：石墨烯因其巨大的比表面積、優(yōu)越的導(dǎo)電能力以及良好的穩(wěn)定性等特點(diǎn)被認(rèn)為是一種近乎完美的電化學(xué)基底材料。但由于石墨烯自身的催化活性并不高,所以通常作為基底與擁有高活性卻易團(tuán)聚的納米材料進(jìn)行復(fù)合,大比表面積的石墨烯為納米顆粒的均勻分散提供充足錨定位點(diǎn)的同時(shí),也能有效改善材料某些本征特性。所以形成的復(fù)合材料能充分發(fā)揮二者的協(xié)同作用,在多領(lǐng)域尤其是電化學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出非凡的應(yīng)用前景。然而,盡管石墨烯納米復(fù)合材料擁有眾多優(yōu)勢(shì),但研究者還是發(fā)現(xiàn)該類(lèi)材料普遍存在的一個(gè)問(wèn)題,即不同的石墨烯片層之間易受π-π相互作用以及范德華力的影響而造成片層的堆積和團(tuán)聚,這種現(xiàn)象會(huì)引起復(fù)合材料比表面積急劇降低從而導(dǎo)致性能上的缺失。因此如何有效地避免石墨烯基復(fù)合材料堆積團(tuán)聚成為一項(xiàng)深有意義的研究課題。本論文旨在通過(guò)簡(jiǎn)單的方法構(gòu)筑以石墨烯為基底的納米復(fù)合材料,通過(guò)引入雜原子、自組裝類(lèi)石墨烯二維材料以及交聯(lián)構(gòu)筑三維結(jié)構(gòu)等方法,力求形成具有一定空間結(jié)構(gòu)的石墨烯復(fù)合材料,并通過(guò)發(fā)揮石墨烯與不同材料間的協(xié)同作用以構(gòu)筑較高性能的電極材料。論文主要內(nèi)容分為以下四個(gè)方面:1.采用簡(jiǎn)單的溶劑熱法合成了氮摻雜石墨烯/四氧化三錳復(fù)合材料,通過(guò)SEM觀察形貌發(fā)現(xiàn)氮摻雜石墨烯在空間上呈現(xiàn)一種卷曲的波浪形態(tài),進(jìn)一步將所制得的復(fù)合材料修飾到電極表面研究其對(duì)H_2O_2的電催化性能。結(jié)果表明氮摻雜石墨烯的引入有利于提高四氧化三錳的分散性和導(dǎo)電性,使四氧化三錳對(duì)H_2O_2的催化活性顯著提高。復(fù)合材料修飾電極對(duì)H_2O_2的響應(yīng)展示出寬的線性范圍,低的檢測(cè)限以及高的靈敏度,有望發(fā)展成為一種廉價(jià)高效的H_2O_2電化學(xué)傳感器。2.通過(guò)乙二胺修飾的氧化石墨烯吸附四硫代鉬酸根離子,并將其原位還原在石墨烯表面形成層狀異質(zhì)堆疊的二硫化鉬/還原氧化石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)。由于石墨烯與乙二胺的限制使得二硫化鉬c軸方向上堆疊層數(shù)很少,二硫化鉬的覆蓋也在一定程度上增加了不同石墨烯之間的層間距,減少了石墨烯之間的堆疊,這也使得復(fù)合材料整體導(dǎo)電性較高。在復(fù)合材料修飾電極表面以電沉積的方法修飾納米金顆粒之后,便能以“S-Au-S”的共價(jià)鍵合方式組裝巰基修飾的單鏈DNA探針?lè)肿�。再輔以亞甲基藍(lán)作為電化學(xué)指示劑,通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)數(shù)目影響亞甲基藍(lán)吸附量,從而引發(fā)亞甲基藍(lán)氧化峰電流變化并以此作為參考間接反映出DNA堿基序列匹配程度。利用該方法可以相對(duì)簡(jiǎn)單快速的判斷出目標(biāo)DNA與探針DNA是否互補(bǔ),大比面積高電導(dǎo)率的復(fù)合材料為DNA探針?lè)肿犹峁┝顺渥愕倪B接位點(diǎn),共價(jià)鍵合的方式也有利于電子的快速傳遞,使得該方法擁有足夠高的靈敏度以用于已知序列病毒DNA的快速甄別,有著較高的實(shí)用價(jià)值。3.利用簡(jiǎn)單的溶劑熱法合成了三維石墨烯/二硫化鈷復(fù)合材料,不管從宏觀外貌還是微觀結(jié)構(gòu)都能清楚的觀察到三維體結(jié)構(gòu)的形成。海綿狀的多孔三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)極大的減少了石墨烯之間的堆疊團(tuán)聚,豐富的孔道結(jié)構(gòu)也為溶液中的傳質(zhì)過(guò)程提供了便利。與相同負(fù)載量的二維石墨烯/二硫化鈷材料相比,三維復(fù)合結(jié)構(gòu)在肼氧化過(guò)程中催化性能明顯高于二維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,充分體現(xiàn)了三維結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。4.設(shè)計(jì)通過(guò)兩步法將合成的二維石墨烯/硫化鈷/二硫化鉬多元復(fù)合材料轉(zhuǎn)化為三維復(fù)合結(jié)構(gòu),并通過(guò)引入碳納米管優(yōu)化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過(guò)程中可能存在的分布不均勻、空間斷層等現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)SEM、BET等表征手段直觀的觀測(cè)到材料空間結(jié)構(gòu)以及比表面積上的變化,并將制得的復(fù)合材料用作于電化學(xué)析氫的電極材料。通過(guò)一系列電化學(xué)測(cè)試并結(jié)合表征結(jié)果,發(fā)現(xiàn)由于穩(wěn)定碳材料的保護(hù)作用使得實(shí)驗(yàn)制得的復(fù)合材料具有優(yōu)異的穩(wěn)定性與催化活性,表明該材料可以充當(dāng)一種高效的pH普適型電化學(xué)析氫催化劑,接著從電化學(xué)的層面上分析推斷三維復(fù)合結(jié)構(gòu)最優(yōu)催化活性的原因。此外,這種兩步法碳管橋聯(lián)轉(zhuǎn)變?nèi)S結(jié)構(gòu)的方法被認(rèn)為是具有一定普適性,可以推廣到其他領(lǐng)域的多級(jí)石墨烯基復(fù)合材料的構(gòu)筑與轉(zhuǎn)化上。
【圖文】：

本征特性以外，石墨烯也展現(xiàn)出與其他功能材料如聚合物、金屬、金屬氧化物、硫化物等的特殊兼容性[4-5]。以性質(zhì)穩(wěn)定的石墨烯及其衍生物作為基底構(gòu)筑的復(fù)合材料能有效改善功能材料的本征性能，并充分發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，從而不斷擴(kuò)大石墨烯的應(yīng)用范圍。1.2 二維石墨烯制備簡(jiǎn)介盡管，石墨烯因其非凡的應(yīng)用前景而被譽(yù)為“新材料之王”，但現(xiàn)有的石墨烯合成技術(shù)與昂貴的價(jià)格卻成為限制石墨烯器件產(chǎn)業(yè)化的“攔路虎”[6]。石墨烯合成方法主要分為兩種[7]，一種是通過(guò)清潔、準(zhǔn)確的外延生長(zhǎng)和CVD法（氣相沉積）自下而上的合成石墨烯，然而這種方法中存在的高能量需求、轉(zhuǎn)移過(guò)程中可能的發(fā)生的基底污染等問(wèn)題都遠(yuǎn)不能滿足石墨烯的規(guī)模化生產(chǎn)。另一種是自上而下的直接從石墨液體中直接剝離得到單層石墨烯，可是漫長(zhǎng)的時(shí)間需求、苛刻的化學(xué)品和表面活性劑等的使用同樣不適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)[7]。

最普適的方法[4,27]。1.2.2.4 熱還原及其他還原通過(guò)在惰性氣氛下高溫處理，表面含氧官能團(tuán)會(huì)被石墨烯本身還原為 CO、CO2、水以及一些小分子碳?xì)浠衔铮�，從而恢�?fù)導(dǎo)電性[28-29]。同樣利用微波等快速加熱還原也能達(dá)到同樣的目的[30-31]。除了常見(jiàn)的方法外，光還原[32-33]、微生物還原[34]等更加綠色環(huán)保的方法也同樣被開(kāi)發(fā)用于還原 GO。1.3 石墨烯材料的多級(jí)自組裝盡管在GO還原過(guò)程中，會(huì)由于強(qiáng)大的范德華力與π-π堆積作用而造成單個(gè)石墨烯片層之間不可逆的團(tuán)聚與堆疊，從而嚴(yán)重抑制石墨烯本身固有高電導(dǎo)率[9]。但這一性質(zhì)同樣也被利用于材料在溶液中自組裝來(lái)形成復(fù)合材料和多維材料。1.3.1 氧化石墨烯自組裝
【學(xué)位授予單位】：安徽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TQ127.11;TB33

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本文編號(hào)：2629749