石墨烯基膜材料的功能化改性与制备

摘要

新型碳纳米材料以其优异的物理化学性能已逐步带领人类走进“碳材料时代”，其中石墨烯具有良好的导电导热性能和大的比表面积，使其拥有极大的应用前景与工业化潜力。石墨烯材料的功能化改性成为了当前科学研究的重点方向。本文从石墨烯功能化改性出发，结合膜材料制备的方法，制备了三种石墨烯基膜材料，分别应用于水处理和智能响应等热点领域。具体内容如下:
　　1.通过水热法将三氧化二铁（α-Fe2O3）晶体原位生长在氧化石墨烯(GO)片层上得到了α-Fe2O3@rGO复合片，然后将其通过真空抽滤固定在聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜表面，制备出新型α-Fe2O3@rGO/PAN纳米纤维复合膜。所制备的复合膜既克服了纳米粒子容易团聚的缺陷，又增加了比表面积，而且作为膜材料，方便回收重复使用。本文通过多种表征方法详细研究了α-Fe2O3@rGO/PAN纳米纤维复合膜的组成、形态和结构。在275W的钨灯下进行光催化实验表明，所制备的复合膜对多种有机染料都展现出很高的光降解率，其中对次甲基蓝的光降解效果最好，20mL的20mg/L染料溶液光降解2h降解率可高达98.5％。本文还尝试了复合膜在太阳光下的光降解实验，依然呈现很高的降解率，展现出工业废水处理领域的应用前景。
　　2.通过数控激光直写将GO均质膜一步还原，制备出了GO/rGOJanus复合膜，并探索了作为湿热驱动执行器等方面的应用。本文对激光直写法制备的GO/rGO Janus复合膜的结构和化学组成进行了表征，并对其热响应和湿响应能力进行实验。系统研究了不同厚度的Janus复合膜的响应性能，发现15μm的Janus复合膜响应速度最快，弯曲角度最大。除此之外，本文利用Janus复合膜独特的响应能力，将其制成不同类型的执行器，均展现出较好的应用前景。
　　3.通过激光直写在GO膜上构造凸起，再通过氢碘酸(HI)进行化学还原，制备出具有3D结构的rGO膜，初步探索了其作为可穿戴压力传感器的应用。利用SEM对所制备的rGO膜的3D结构进行了表征，并且对其压力传感性能进行了测试。此外，利用rGO膜柔性好可弯折的优势，还制备了两种可穿戴的压力传感器。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．1 石墨烯

1．1．2 氧化石墨烯

1．1．3 还原氧化石墨烯

1．2 石墨烯的功能化改性方法

1．2．1 与其他功能材料复合

1．2．2 利用自身性质进行功能化结构设计

1．3 改性石墨烯材料的成膜方法与应用

1．3．1 石墨烯基材料的成膜方法

1．3．2 改性石墨烯基膜材料的应用

1．4 论文的研究意义及内容

第二章 α-Fe2O3@rGO/PAN纳米纤维复合膜的制备及其用于光催化降解有机染料

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验药品和仪器

2．2．2 GO的制备

2．2．3 α-Fe2O3@rGO复合片的制备

2．2．4 静电纺丝PAN纳米纤维

2．2．6 α-Fe2O3@rGO/PAN纳米纤维复合膜的表征

2．2．7 有机染料光催化降解实验

2．3 结果与讨论

2．3．3 α-Fe2O3@rGO复合片的表征

2．3．4 PAN纳米纤维膜的表征

2．3．5 α-Fe2O3@rGO/PAN纳米纤维复合膜的表征

2．3．6 有机染料光催化降解效果探究

2．3．7 降解动力学研究与可重复性测试

2．3．8 太阳光下降解效果探究

2．4 本章小结

第三章 激光直写法制备石墨烯基可编程湿热驱动执行器

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验药品和仪器

3．2．2 GO膜的制备

3．2．3 激光直写GO膜

3．2．6 GO/rGO Janus复合膜的响应性测试

3．2．7 可编程执行器设计与展示

3．3 结果与讨论

3．3．2 激光直写GO膜的表面形貌

3．3．3 激光直写GO膜的优势与特点

3．3．4 GO膜激光直写前后的表征

3．3．5 GO/rGO Janus复合膜的表征与展示

3．3．6 GO/rGO Janus复合膜响应性能测试

3．3．7 GO/rGO Janus复合膜作为执行器的展示

3．4 本章小结

第四章 激光直写膨胀法制备3D结构rGO膜作为可穿戴的压力传感器

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．3 激光直写膨胀法制备3D结构GO膜

4．2．4 GO膜的化学还原

4．2．5 rGO膜的压力响应性能测试

4．2．6 可穿戴压力传感器的应用展示

4．3 结果与讨论

4．3．1 rGO压力传感器的结构设计与制备流程

4．3．2 rGO膜的结构表征

4．3．3 rGO压力传感器的性能测试

4．3．4 可穿戴rGO压力传感器的应用展示

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表论文

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