溶剂热制备TiO2纳米晶/石墨烯杂化材料及性质研究

摘要

石墨烯纳米片之间由于存在强烈的相互作用,因而易于重新堆砌成石墨,这给石墨烯的应用研究造成严重的障碍。通过选择合适的功能材料与其杂化,形成石墨烯杂化材料,不仅可以有效地阻止石墨烯纳米片的重新聚集,而且所制备的石墨烯杂化材料还可能会被赋予更加优异的物理化学性能。本论文以改进的Hummers法合成的氧化石墨烯(GO)为前驱体,采用一锅溶剂热法合成了TiO2纳米晶／石墨烯杂化材料(TiO2 NC／G),并考察了所制备的TiO2 NC／G在生物传感和降解有机污染物等领域的应用。具体工作如下:
　　 1.以Ti(OC4H9)4和GO为原料,乙醇作为溶剂和还原剂,采用一锅溶剂热法制备TiO2 NC／G。红外光谱(IR)和拉曼光谱(Raman)证实,所制备的TiO2 NC／G中GO已被还原成石墨烯；扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)显示,杂化材料中TiO2纳米粒子不仅均匀地修饰在石墨烯纳米片表面,而且作为“隔离物”有效地阻止了石墨烯纳米片的再聚集。
　　 2.以TiO2 NC／G为酶固定化平台,乙酰胆碱酯酶(AChE)为模型酶,构建了AChE生物传感器,并考察其在有机磷农药检测中的应用。研究表明,TiO2 NC／G不仅提供了一个良好的生物相容性界面,保持了AChE的原始构象和生物催化活性；而且与单一组分石墨烯纳米片和TiO2纳米粒对比研究表明,TiO2 NC／G的引入使电极对AChE催化底物氯化硫代乙酰胆碱(ATCl)生成的硫代胆碱的催化电流分别增加了2.5和3.5倍。ATCl浓度在0.3～1.1 mM范围内与响应电流呈线性关系,AChE的表观米氏常数KappM为0.072 mM。以西维因(carbaryl)为有机磷农药模型化合物,进一步考察了农药分子在靶标酶界面的吸附、识别与电子传递行为和传感性能,结果表明carbaryl浓度在0.001～0.015μg·mL-1和0.015～2μg·mL-1范围内与抑制率呈现良好线性关系,检测限为0.3 ng·mL-1。这为有机磷农药的痕量检测提供了一种快速、便利的电化学方法。
　　 3.以亚甲基蓝(MB)为模型染料化合物,H2O2为氧化剂,Ti2O2NC／G为催化剂,详细考察了各种反应条件参数(如H2O2浓度、体系pH值、MB初始浓度等)在非均相催化湿式氧化降解MB过程中的影响。结果表明:在含有100 mM H2O2和0.2 mg·L-1TiO2 NC／G的中性体系中反应1 h后,15 mg·L-1的MB有96％被催化氧化了。催化剂TiO2 NC／G分离回收,反复使用5次后,15 mg·L-1的MB仍有90％被催化氧化了。进一步通过循环伏安和交流阻抗法解释了TiO2 NC／G湿式催化氧化降解MB机制,最后使用二甲基亚砜作为羟基自由基(HO·)的捕获剂初步证实了在催化氧化降解过程中,所生成的HO·是染料降解的直接因为。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 石墨烯概述

1.1.1 石墨烯的发现

1.1.2 石墨烯的结构

1.1.3 石墨烯的性质与应用

1.1.4 石墨烯的制备

1.2 氧化石墨烯概述

1.2.1 氧化石墨烯简介

1.2.2 氧化石墨烯的性质和应用

1.2.3 氧化石墨烯还原制备石墨烯

1.3 石墨烯基无机纳米杂化材料的制备及性能研究

1.3.1 石墨烯基金属纳米杂化材料研究

1.3.2 石墨烯基半导体纳米杂化材料研究

1.4 TiO2纳米材料的应用研究

1.4.1 TiO2的性质与应用

1.4.2 TiO2与碳基材料杂化研究

1.5 本研究课题的提出与主要研究内容

第二章 溶剂热制备TiO2纳米晶/石墨烯杂化材料及其表征

2.1 实验部分

2.1.1 药品与试剂

2.1.2 仪器设备

2.1.3 氧化石墨的制备

2.1.4 TiO2 NC/G的制备

2.2 结果与讨论

2.2.1 TiO2 NC/G的红外表征

2.2.2 TiO2 NC/G的Raman表征

2.2.3 TiO2 NC/G的XRD表征

2.2.4 TiO2 NC/G的形貌表征

2.2.5 TiO2 NC/G的TG分析

2.3 本章小结

第三章 乙酰胆碱酯酶在TiO2纳米晶/石墨烯修饰电极上的固定及其用于有机磷农药检测的应用研究

3.1 实验部分

3.1.1 药品与试剂

3.1.2 仪器设备

3.1.3 修饰电极的制备

3.1.4 电化学实验过程

3.2 结果与讨论

3.2.1 复合界面性质研究

3.2.2 AChE/TiO2 NC/G/GCE的电化学行为

3.2.3 AChE与ATCl识别的安培响应测试

3.2.4 抑制时间的影响

3.2.5 抑制剂的定量检测

3.2.6 AChE的复活

3.2.7 检测的重现性和界面的稳定性

3.3 本章小结

第四章 TiO2纳米晶/石墨烯催化H2O2湿式氧化降解亚甲基蓝的应用研究

4.1 实验部分

4.1.1 药品与试剂

4.1.2 仪器设备

4.1.3 H2O2湿式催化氧化实验方法

4.1.4 水样分析方法

4.1.5 电化学实验过程

4.2 结果与讨论

4.2.1 亚甲基蓝H2O2湿式催化氧化光谱分析

4.2.2 亚甲基蓝在不同条件的催化氧化对比

4.2.3 H2O2浓度对脱色效果的影响

4.2.4 溶液pH值对脱色效果的影响

4.2.5 染料初始浓度对脱色效果的影响

4.2.6 电化学表征

4.2.7 脱色机理研究

4.2.8 催化剂的循环使用

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录

致谢