新型碳基功能材料的制備、表征及其應(yīng)用研究.pdf

1、基于新型碳材料具有許多優(yōu)異的物理和化學特性，例如比表面積大、導電性優(yōu)異、化學性能穩(wěn)定等特點，使其被廣泛地應(yīng)用于諸如環(huán)境修復、電化學及生物等領(lǐng)域。其中，石墨烯、球形碳和多孔碳是碳材料的三種典型代表，本文旨在以此三種碳材料為基體，采用新穎簡單的合成手段，制備出了一系列的碳基功能復合材料，并深入研究了它們的形貌、結(jié)構(gòu)及在污水處理、超級電容器、電磁學及催化等領(lǐng)域中的應(yīng)用?；诖?，本文的主要研究內(nèi)容有:
　　(1)2004年至今，石墨烯的問

2、世再次掀起了全世界研究碳材料的熱潮，石墨烯開始超越碳納米管(CNT)成為了備受矚目的國際前沿和熱點，在此基礎(chǔ)上，本文開展了石墨烯基復合材料的相關(guān)研究。a）:首先采用水熱法，以Bi(NO3)3、Fe(NO3)3和氧化石墨烯(GO)為原料，在堿性條件下以Vc為還原劑，首次成功地制備出多鐵性材料BiFeO3-石墨烯(RGO-BFO)納米復合材料，并深入研究了其光學、磁學和紫外光催化降解亞甲基藍性能;b）:其次，利用超分子β-環(huán)糊精(β-CD)

3、材料作為表面活性劑，以GO、AgNO3為原料、用水合肼為還原劑，采用“一鍋還原法”成功地制備出還原石墨烯-CD-Ag(RGO-CD-Ag)三元納米復合材料。水溶性β-CD界面相的加入，極大地改善了材料的親水性能，有效地提高了材料的殺菌性能。c）:最近，如何進一步地提高石墨烯的應(yīng)用性能成為研究熱點。其中，N元素摻雜成為一種有效的手段。本文通過水熱法，以GO和Co(NO3)2為原料，以尿素(CO(NH2)2)作為還原劑和N源，成功地制備出N

4、摻雜石墨烯/氧化鈷納米復合材料(N-graphene-CoO)，與石墨烯-CoO相比（約97 F/g），摻雜后性能比電容值達到169 F/g，提高了約75％，展現(xiàn)出良好的電化學性能。
　　(2)由于中間相球形碳材料具有許多優(yōu)異的性能，如化學惰性、優(yōu)良導電和導熱性等，成為越來越受到人們重視的碳基材料。但傳統(tǒng)制備中間相碳球方法有產(chǎn)率低、工藝煩瑣冗長，且產(chǎn)物大小不受控等缺點，基于此:a）:本文采用簡單新穎的一步水熱碳化法，以GO和葡萄糖

5、為原料，在堿性條件下以Vc為還原劑，成功地制備出形貌規(guī)整、尺寸均一的碳微球材料，最終產(chǎn)率接近100％;進一步地，我們探討了產(chǎn)物在污水吸附和電化學領(lǐng)域中的應(yīng)用性能。b）:蒙脫土(MMT)是一種類似石墨烯二維片層堆積結(jié)構(gòu)，是一種應(yīng)用廣泛的礦物材料。本文僅以MMT和葡萄糖兩種綠色且廉價的材料作為原材料，采用水熱法制備出了MMT負載碳納米球復合材料（MMT@C）。分析發(fā)現(xiàn)，由于碳納米球插入了MMT的片層間，使得復合材料比表面積增大，對污水中Cr

6、(Ⅵ)的吸附性能得到大幅提高。結(jié)合吸附熱力學及動力學模型分析，進一步詳細地探討了MMT@C對Cr(Ⅵ)的吸附機理。結(jié)果顯示，此種吸附材料吸附模型分別符合Pseudo-second-order和Freundlich吸附模型;其在約40 min左右對Cr(Ⅵ)吸附效果即達到約60％，理論最大吸附率達156 mg/g，大大優(yōu)于前期大多數(shù)文獻所報告的對Cr(Ⅵ)吸附量。
　　(3)多孔碳材料具有多微孔、比表面積大、表面張力大、吸附勢能大等

7、特點，在吸附、儲氫和電化學等方面存在很大應(yīng)用潛力，一直是碳材料研究熱點之一。本文采用制備石墨烯的Hummer's方法，首次創(chuàng)新性地將此方法引用到對多孔碳(PC)的氧化上，制備得到氧化多孔碳(PC oxide)材料。分析表明，氧化后PC表面中增加了大量的含氧基團，如-COOH、-OH、-C-OH、-CO等。在電化學領(lǐng)域，表面含氧活性基團的增加，是有利于材料贗電容的產(chǎn)生。因此，對材料的電化學性能分析表明，相對于傳統(tǒng)PC，PC oxide比電