本文選題：氧化石墨烯 + 水溶性石墨烯　； 參考：《燕山大學》2016年博士論文

【摘要】：石墨烯是單層碳原子厚度的二維材料,具有優(yōu)良的電子遷移率、機械強度和吸附能力,被用于電容器、污水處理、建筑和太陽能電池等各種領域中。但石墨烯的不溶性限制了其應用,如何改善石墨烯的分散性從而制備出復合均勻的復合材料成為目前的研究熱點。對肼基苯磺酸(PHS)分子中含有肼基和磺酸基,本論文設計以其為還原劑和修飾劑,作用于氧化石墨烯(GO),制備得到親水性石墨烯。然后以其為原料,在水相中與四氧化三鐵、聚合物和或二氧化鈦等進行作用,制備得到復合均勻的功能性材料,對相應產品的結構和形貌進行表征和分析,研究產品的性能、合成及作用機理,為新型親水性石墨烯及其復合材料的開發(fā)與應用奠定基礎。采用改進的Hummers法,以石墨粉為原料,在混酸(濃硫酸和濃磷酸)的存在下,與氧化劑高錳酸鉀在50℃反應12 h,制備得到GO。TEM和XRD顯示,GO為透明薄紗狀的片層狀,在2θ=9.0°有衍射峰,呈較好的晶體結構。將制得的GO和PHS混合,在氮氣保護下,于85℃反應12 h,一步合成得到親水性石墨烯(HG)(在無或有氫氧化鈉存在下得到的產品分別稱為HGa或HGb)。反應過程主要為PHS被吸附,然后穿插于GO片層,與GO上的基團作用,還原了其分子中的含氧基團尤其是羰基。由于PHS殘基中含有極性強的磺酸基團,形成較大的空間位阻和較強的靜電排斥力,降低了HG的表面能,避免了HG之間的聚集,并給予HG良好的水溶性。HGa在水中的濃度可高達12.66 mg·mL~(-1),HGb為9.27 mg·mL~(-1),且可保存數(shù)月,不產生沉淀,并在pH=2-12條件下有良好的相容性和穩(wěn)定性。它們也可分散于極性有機溶劑如DMF和DMSO中,以及乙醇、聚乙烯醇和環(huán)糊精的水溶液中。HG水溶液在260-283 nm有紫外吸收峰,是由于其分子不飽和碳骨架和芳香基團而產生的;TEM下呈透明的薄紗狀,褶皺少,說明其聚集程度較小;XRD顯示由于有機基團的存在,其結晶性較弱。TGA和DTA測試結果表明,HGa在350-670℃的失重率為62.2%,HGb則為54.3%,說明磺酸基轉化成鈉鹽后,HG的熱穩(wěn)定性有所增加。采用一步化學共沉淀法,以硫酸亞鐵銨、氯化鐵和HG為原料,在堿性水溶液中于85℃反應1 h,制備得到了Fe_3O_4/HG復合物。結果表明,Fe_3O_4粒子均勻分散在HG的片層上,粒徑在9.15-21.80 nm之間,且隨著HG含量的增加,Fe_3O_4/HG中的Fe_3O_4的粒徑逐漸變小。Fe_3O_4/HG具有亞鐵磁性、較高的矯頑力、低的比飽和磁化強度和對染料羅丹明B和Cr3+離子良好的吸附性。吸附動力學符合假二級動力學模型,吸附過程由內擴散和吸附劑表面活性位點的化學吸附共同控制。光Fenton反應結果表明,Fe_3O_4/HG可在短時間內達到較好的光催化效果,當HG的含量為53.81%時,催化效率可達87.68%,速率為0.055 mg·min-1,這主要是由于HG具有較高的載流子遷移率,能加快Fe3+/Fe2+之間電子轉換速率的緣故。測試結果顯示,Fe_3O_4/HG的Zeta電位可達38.1 mv,且HG含量越高,相應Zeta電位值也相應越大,由此可通過HG的含量調控Fe_3O_4/HG在水中的分散程度和穩(wěn)定性。采用一步化學共沉淀法,以硫酸亞鐵銨、氯化鐵和聚乙烯醇(PVA)為原料,在無或有HG存在的條件下,于85℃反應1 h制備得到了Fe_3O_4/PVA(FP)和Fe_3O_4/HG/PVA(GFP)兩種膜材料。結果顯示,FP中的Fe_3O_4粒子呈球狀,且均勻分布在PVA中,平均粒徑在8.19-17.58 nm;GFP中的Fe_3O_4粒子呈球形、網狀及棒狀等多種形態(tài)。FP和GFP都為亞鐵磁性,GFP比FP具有更高的熱穩(wěn)定性和阻燃性。當HG的含量為1.2 wt%時,GFP有最高的抗拉強度(198.13 Mpa)、最大的吸收能(0.58 J)、較大的最大應變(629.57%)和楊氏模量(0.31 Gpa)。GFP具有優(yōu)異的機械性能,這主要歸因于HG、Fe_3O_4和PVA之間的交聯(lián)以及協(xié)同作用。分別采用低溫水解法和超聲法,在酸性條件下,以四氯化鈦和HG為原料,制備得到了TiO_2/HG系列復合物。結果表明,在超聲作用下,復合的TiO_2粒徑在0.21-0.38μm之間,且分散均勻,全部呈相對穩(wěn)定的金紅石相;而低溫水解法得到的TiO_2粒徑在0.23-0.38μm之間,略顯聚集,為金紅石和銳鈦礦相的混合體,且隨著HG含量的增加,金紅石相減少,由此可通過HG的量調控TiO_2/HG復合物中TiO_2的晶型。甲基橙光降解實驗結果表明,TiO_2/HG具有較好的光降解效率,且隨HG量的增加,光反應速率和降解率逐漸增加,這主要是由于HG的存在可增加載流子的遷移率,并抑制了TiO_2光生電子-空穴對的復合,與低溫水解法相比,超聲法獲得的產品具有更好的光催化效率。HG和TiO_2/HG對大腸桿菌的生長均有抑制作用,抑菌率分別為82.61%和89.85%,說明TiO_2/HG有利于活性自由基的產生,可起到了良好的抑菌作用。
[Abstract]:In the presence of mixed acid ( concentrated sulfuric acid and concentrated phosphoric acid ) , it is used as reducing agent and modifying agent in the presence of mixed acid ( concentrated sulfuric acid and concentrated phosphoric acid ) . The results show that Fe _ 3O _ 4 / HG can achieve better photocatalytic activity in short time . The results show that Fe _ 3O _ 4 / HG can achieve better photocatalytic activity in short time . The results show that the Fe _ 3O _ 4 / HG can achieve better photocatalytic activity in water . The results show that the Fe _ 3O _ 4 / HG has a higher charge carrier mobility . The results show that the Fe _ 3O _ 4 / HG has a higher charge carrier mobility . The results show that the Fe _ 3O _ 4 / HG has a higher charge carrier mobility . The results show that the Fe _ 3O _ 4 / HG has a higher charge carrier mobility . The results show that the Fe _ 3O _ 4 / HG has a higher charge carrier mobility . The results show that the Fe _ 3O _ 4 / HG has a higher charge carrier mobility . The results show that the Fe _ 3O _ 4 / HG has a higher charge carrier mobility . GFP had the highest tensile strength ( 198.13 Mpa ) , maximum absorption energy ( 0.58 J ) , large maximum strain ( 629.57 % ) and Young ' s modulus ( 0.31 Gpa ) . The results show that TiO _ 2 / HG has better photocatalytic efficiency . The results show that TiO _ 2 / HG has better photocatalytic efficiency . The results show that TiO _ 2 / HG has better photocatalytic efficiency . The results show that TiO _ 2 / HG has better photocatalytic efficiency .

【學位授予單位】：燕山大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TB332

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本文編號：1780847