石墨烯/二氧化钛纳米线复合薄膜的制备及应用

摘要

石墨烯(Graphene)由于其独特的光学、化学、力学、热力学和电学性质而获得广泛的关注。在实际应用中，石墨烯及其衍生物常被负载在基底上或与其它各种功能性材料复合形成石墨烯基复合纳米材料。目前，石墨烯已与半导体、金属等无机纳米材料制备多种石墨烯基/无机纳米复合结构，如多孔水凝胶结构、核-壳结构、石墨烯基复合薄膜(GCFs)等。在各种半导体材料中，二氧化钛(TiO2)纳米材料因其优异的光催化性能、光电化学性能、环境友好、形貌可控等性质而得到广泛应用。TiO2与石墨烯的复合结构具有快速的电荷转移、更好的电催化活性以及结构和化学稳定性，可克服二者单独在吸附、光催化、传感器应用中的不足。本论文以TiO2纳米线(TiO2NWs)与氧化石墨烯(Graphite Oxide，GO)复合制备石墨烯/二氧化钛纳米线(rGO/TiO2NWs)柔性薄膜，考察了其在吸附、光催化、传感器中的应用，主要结果如下:
　　(1)以改进的Hummer法制备GO、水热法制备TiO2NWs，二次水热法制备rGO/TiO2NWs复合材料，利用真空抽滤法得到rGO/TiO2NWs复合薄膜。通过调节TiO2NWs的加入量，制备了rGO/TiO2NWs-25％、rGO/TiO2NWs-40％、rGO/TiO2NWs-50％、rGO/TiO2NWs-70％、rGO/TiO2NWs-80％的复合薄膜。采用SEM、TEM、XRD、拉曼光谱等方法考察了复合薄膜的形貌及晶型结构，并研究了复合薄膜对铜离子的吸附效应。结果表明，对铜离子的最大吸附量达到34.58mg/g，在水处理中具有潜在的应用前景。
　　(2)通过在氨气氛围中600℃下煅烧3小时来提高复合薄膜的导电率，并将其作为电极材料，采用电化学沉积法制备了负载Pt纳米颗粒的薄膜电极，研究了电极对H2O2的电化学检测性能，发现rGO/TiO2NWs-25％/Pt薄膜电极有最好的传感性能:H2O2的催化电流与H2O2的浓度在0.04～38mM范围内有较好的线性关系，灵敏度是127.3uAmM-1cm-2，检测线达到0.018mM。
　　(3)采用先在氨气中对TiO2NWs进行热处理，得到改性的氮掺杂TiO2NWs-N，再与GO复合制备出rGO/TiO2NWs-N-50％薄膜以及rGO/TiO2NWs-N-25％/Pt薄膜电极。结果发现:rGO/TiO2NWs-N-50％相比rGO/TiO2NWs-50％，对亚甲基蓝(MLB)的光催化速率增加，但对铜离子的吸附效果降低;同时，rGO/TiO2NWs-N-25％/Pt薄膜电极对H2O2的检测效果相比rGO/TiO2NWs-25％/Pt得到了提高，H2O2的催化电流与H2O2的浓度在0.02～42mM范围内有较好的线性关系，灵敏度为212.8uAmM-1cm-2，检测线为0.011mM。这些结果反映出先在氨气中热处理能更有效改善TiO2NWs的性能，从而有利于复合膜在光催化和电极材料中的应用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．1．1 石墨烯的制备方法

1．1．2 石墨烯的修饰

1．1．3 石墨烯基材料的应用

1．2 石墨烯基无机复合材料

1．2．1 石墨烯／半导体纳米复合材料

1．2．2 石墨烯／金属纳米复合材料

1．3 石墨烯基复合薄膜的制备方法

1．4 石墨烯／二氧化钛复合材料的研究现状

1．5 本文研究意义和内容

第二章 rGO／TiO2 NWs薄膜的制备及表征

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验所用试剂、材料和仪器

2．2．2 材料制备

2．2．3 材料表征

2．2．4 零电荷点pHpzc的测定

2．3 结果与讨论

2．3．1 材料表征

2．3．2 零电荷点pHpzc

2．4 本章小结

第三章 rGO／TiO2 NWs薄膜对铜离子的吸附性能研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验所用试剂、材料和仪器

3．2．2 吸附试验

3．2．3 重要性实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 复合材料中TiO2 NWs所占比例对铜离子吸附的影响

3．3．2 pH对铜离子吸附的影响

3．3．3 吸附动力学

3．3．4 吸附等温线

3．3．5 吸附热力学

3．3．6 解吸附

3．4 本章小结

第四章 基于rGO／TiO2 NWs／Pt薄膜的过氧化氢传感器

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验所用试剂、材料和仪器

4．2．2 热处理

4．2．6 过氧化氢传感器

4．3 结果与讨论

4．3．1 材料表征

4．3．2 薄膜的方块电阻

4．3．3 复合材料的电化学性能测试

4．3．4 过氧化氢检测

4．3．5 重现性和稳定性

4．4 本章小结

第五章 氮掺杂TiO2 NWs与石墨烯薄膜的制备及性能研究

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 实验所用试剂、材料和仪器

5．2．2 rGO／TiO2 NWs-N薄膜及rGO／TiO2 NWs-N／Pt薄膜的制备

5．2．3 材料表征

5．2．4 光催化活性测试

5．2．5 铜离子吸附实验

5．2．6 电化学性能测试及对过氧化氢的检测

5．3 结果与讨论

5．3．1 材料表征

5．3．2 薄膜的方块电阻

5．3．3 光催化活性测试

5．3．4 铜离子吸附实验

5．3．5 复合材料的电化学性能测试及对过氧化氢的检测

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

硕士期间科研成果