石墨烯的模板导向制备及在电化学储能和肿瘤靶向诊疗方面的应用

【摘要】：石墨烯作为一种二维单层sp2杂化的碳原子材料,由于其具有独特的结构和优异的光、电、磁、热及机械性能,自2004年被发现以来,就引起了全世界的广泛关注,已成为能量转化与储存、生物传感器、电子工业、催化以及肿瘤治疗等方面的热点材料。然而,发展石墨烯材料的应用,仍面临着一些亟需解决的问题：(1)必须有适合工业应用的大规模制备高质量石墨烯的新方法;(2)必须使石墨烯与其它纳米材料、功能分子有效复合,发挥它们的协同作用,同时其制备合成过程要简单、低成本；(3)拓展石墨烯的应用,特别是在生物医药领域的应用,必须改善石墨烯的水分散性和生物相容性,同时也要求石墨烯材料的功能更加丰富和有效。因此,大规模、低成本的制备石墨烯纳米材料,并进行不同的功能化修饰或复合,实现石墨烯与其它纳米材料的协同作用,进而拓展石墨烯基纳米材料的功能,实现更广泛、更有效的应用,是现阶段多功能石墨烯基纳米材料制备与应用研究的重要课题。本论文正是基于以上背景,开展了基于石墨烯材料的合成、表征以及应用拓展研究,研究工作分为以下几方面：1.第一章,对石墨烯的发展历史概况、石墨烯的结构、性能(光学、电学、力学、热学等性能)、制备方法、结构修饰以及应用领域等方面的研究进展进行了归纳和总结。重点阐述了石墨烯在能量转化与储存、分析化学以及生物医药领域应用的方法和技术,提出了本论文的设计思路及创新点。2.第二章,首次通过层状MCM-22分子筛的模板作用以及镍的催化作用,将无定型碳转化为石墨烯,实现了大比表面积和高导电性石墨烯的大规模制备。然后将此石墨烯发展为超级电容器的电极,测试结果显示其具有优良的电化学双层电容性能和恒电流充放电性能,在KOH水溶液中,其充放电比电容能达到233 F/g。3.第三章,采用一步还原法,即利用普通的还原剂NaBH4同时还原Ag+和GO纳米片,将Ag纳米颗粒均匀地负载在石墨烯表面,制备出GAg纳米复合物。研究结果显示,在GAg纳米复合物中Ag纳米颗粒是结晶的、高分散的,其颗粒尺寸为5～15 nm,并且通过调变Ag+和GO纳米片的投料比可以简单地调控复合物中Ag纳米颗粒的负载量(25.6%～61.0%)。该复合物在碱性条件下具有稳定的、优良的甲醇电化学氧化性能,且催化电流在0.22x10-5A～1.01×10-5A范围内可调节。同时,我们发现甲醇氧化电流的密度与甲醇的浓度成线性关系(线性相关系数R=0.987),并且完成了催化反应温度和催化稳定性的考察。简单快速的合成、低成本、高活性使得我们制备的GAg纳米复合物在直接甲醇燃料电池方面具有应用潜力。4.第四章,将介孔硅覆盖在磁性石墨烯的表面,然后连接靶向多肽,制备出一种新的生物相容性好的磁性石墨烯基纳米递药系统,并对该系统进行了详细的表征。结果显示该系统具有诸多优异的性能,如强的近红外光热转换性能,快速的磁分离性能、大的T2弛豫率(r2)和高的抗癌药物阿霉素(DOX)负载量。体内、体外结果显示该系统装载药物DOX后,可以实现脑胶质瘤的高效治疗,包括能进行pH和光热控制的释放,能完成磁靶向和多肽介导靶向的双靶向识别,能实现化-光热联合治疗功能以及MRI监测肿瘤治疗的功能,是一种优良的多功能纳米材料。5.第五章,对全文进行了总结,并对石墨烯基材料的可控制备与应用研究进行了展望。