氧化石墨烯/纳米氧化物杂化材料的制备及其高分子复合材料的应用研究

摘要

纳米材料因其独特的性能广泛应用于传感器、催化、光电器件等领域。而采用不同纳米粒子制备的纳米杂化材料不仅兼有两种及以上纳米粒子的优异性能，还可以弥补单一纳米粒子在性能上的不足。因此纳米杂化材料的出现为拓宽纳米材料的应用和获得高性能功能材料提供了一个有效途径。
　　氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）作为石墨烯衍生物，不仅具有优异的机械、光等物理性能，表面大量羟基、羧基、环氧基等含氧官能团的存在还使GO具有很好的结构可调控性、亲水性和化学活性。因此，GO常作为支撑材料与多种金属、无机非金属等纳米粒子通过氢键作用、静电相互作用等形成纳米杂化材料。
　　本论文以探索GO负载纳米氧化物杂化材料的制备，以及杂化材料对复合材料微观结构和性能的调控为目的，利用GO和纳米氧化物之间的相互作用制备了GO@SiO2和GO@Cu2O两种纳米杂化材料，研究了GO@SiO2对聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）机械性能和聚偏氟乙烯（Polyvinylidene fluoride，PVDF）介电性能的影响;同时，研究了在GO@Cu2O纳米杂化材料中GO的引入以及不同实验条件对Cu2O形貌和光催化性能的影响。得到以下研究成果:
　　(1)利用GO表面含氧官能团和SiO2表面羟基之间的相互作用，通过溶液共混的方法成功将SiO2负载于GO表面制备了GO@SiO2杂化材料。并通过微观形貌和结构表征发现SiO2分布于GO表面或片层间，可以有效剥离GO，并阻止GO团聚。将GO@SiO2加入PVA中能有效改善GO和SiO2在基体中的分散，通过GO和SiO2之间的协同作用还可以得到同时增强增韧的PVA/GO@SiO2复合材料。
　　(2)采用溶液共混和熔融共混两步混合的方法制备了PVDF/GO@SiO2复合材料。通过表征材料的微观结构发现，GO在加工过程中会发生部分还原，GO与PVDF之间存在较强的相互作用，能有效诱导PVDF的β晶体的生成，使PVDF/GO复合材料的介电常数有很大的提高。而在PVDF/GO@SiO2复合材料中，由于GO和SiO2之间强的相互作用，SiO2可以促进GO在基体中的剥离和分散，使PVDF生成更多β晶体。此外，绝缘SiO2还能阻碍部分还原的GO在基体中形成导电通路，最终使得PVDF/GO@SiO2复合材料具有较大介电常数的同时维持较小的介电损耗。
　　(3)利用GO表面带负电可以吸附带正电金属阳离子的特点，通过原位还原的方法成功制备了GO@Cu2O纳米杂化材料。通过晶体结构和微观形貌的表征发现GO可以影响Cu2O的成核生长机理，使Cu2O从多边形单晶向球形多晶体转变。其次，反应时间、Cu2+浓度、GO表面官能团数量也能影响Cu2O的成核，从而影响GO@Cu2O中Cu2O的尺寸和数量。此外，GO@Cu2O纳米杂化材料较单独的Cu2O颗粒对亚甲基蓝(Methylene blue，MB)有更好的光催化降解效果。这主要是由于GO具有很大的比表面积和载流子迁移速率，不仅使杂化材料更易吸附有机染料，还能使光生电子快速转移到GO表面，延长电子寿命，最终得到光催化性能更好的GO@Cu2O纳米杂化材料。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 氧化石墨烯概述

1．2．1 氧化石墨烯的结构

1．2．2 氧化石墨烯的制备

1．2．3 氧化石墨烯的性质

1．3 氧化石墨烯／纳米粒子杂化材料的研究现状

1．3．1 金属／(还原)氧化石墨烯杂化材料

1．3．2 无机非金属／(还原)氧化石墨烯杂化材料

1．3．3 其他(还原)氧化石墨烯杂化材料

1．4 聚合物／(还原)氧化石墨烯复合材料的研究现状

1．4．1 氧化石墨烯改性聚合物复合材料的研究进展

1．4．2 (还原)氧化石墨烯杂化材料改性聚合物复合材料的研究进展

1．5 本论文的目的、意义与研究内容

1．5．1 本论文的目的及意义

1．5．2 本论文的主要研究内容

第二章 GO负载纳米Si02杂化材料的制备及其在PVA复合材料中的应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验设备

2．2．3 样品的制备

2．2．4 测试与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 Go@SiO2纳米杂化材料的结构和形貌表征

2．3．2 PVA复合材料的研究

2．4 本章小结

第三章 PVDF/GO@SiO2复合材料的制备和表征

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验设备

3．2．3 样品的制备

3．2．4 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 加工过程对GO的影响

3．3．2 PVDF复合材料微观形貌表征

3．3．3 PVDF复合材料晶体结构表征

3．3．4 PVDF复合材料的导电性能

3．3．5 PVDF复合材料的介电性能

3．4 本章小结

第四章GO@Cu2O杂化材料的制备及其光催化性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验设备

4．2．3 样品的制备

4．2．4 测试与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 Cu2O和GO@Cu2O杂化材料的制备

4．3．2 GO浓度对GO@Cu2O杂化材料微观形貌的影响

4．3．3 反应时间对GO@Cu2杂化材料微观形貌的影响

4．3．4 Cu2+浓度对GO@Cu2O杂化材料微观形貌的影响

4．3．5 GO表面含氧官能团数量对GO@Cu2O杂化材料微观形貌的影响

4．3．6 光催化性能评价

4．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表与拟发表的论文