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碳纳米材料及其磁功能化组装的研究

张燕玲  
【摘要】:碳纳米材料是在三维空间中至少有一维小于100nm的碳材料。它主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等,其中碳纳米管和石墨烯是继富勒烯的发现以来在纳米材料研究领域内两颗闪亮的新星。他们具有优异的电学性能、场发射性能、热导性能、超导性能、储氢性能等,此外,碳纳米管的一维结构以及石墨烯的二维结构可使它们成为最好的组装模板,因此其组成的复合材料既能保持原有的结构,又具有新的性能,它们将成为下一代复合材料的主要成分,在商业开发中具有广泛的研究意义和应用价值。本文针对碳纳米管和石墨烯的磁性弱这一缺点,我们以导电的碳纳米管和石墨烯作为模板,将磁性较强的无机纳米颗粒与其结合在一起,组装出具有良好电磁性能的复合材料。这种纳米复合材料可应用于纳电子器件、磁记录材料、吸波材料、传感器等众多领域。 论文采用溶剂热法制备得到了晶相纯、磁性优良的镍锌铁氧体包覆碳纳米管的复合材料,研究了不同化学计量的镍锌铁氧体纳米颗粒对包覆MWCNTs所得纳米复合材料磁性的影响。采用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和振动磁强计(VSM)对该复合材料的物相、形貌和磁性能进行了表征,结果表明:NixZn1-xFe2O4包覆MWCNTs的磁性纳米复合材料展现出了超顺磁性,矫顽力几乎为0,其中MWCNTs/Ni0.5Zn0.5Fe2O4的饱和磁化强度可达到45.8emu/g,而且该复合材料的磁感应灵敏度强,是一种很好的软磁材料。 碳纳米管的研究基础为我们探索石墨烯及其磁功能化组装提供了很好的参考价值。本文尝试采用了两种不同方法制备出了不同的石墨烯片。通过XRD、拉曼光谱(Raman)、红外光谱(FTIR)、原子力扫描探针(AFM)和TEM对两种方法制备的产物进行表征,并且进 步探讨了两种方法的形成机理及其产物的电学性能。结果表明:两种制备方法具有各自的优势和缺点,电化学法方法操作简单,且石墨烯的合成与改性可一步完成,但是产物中含有大量碳杂质,难以去除,产率较低;而光催化还原法产率相对电化学法较高,但是提高还原程度是改进这一方法急需解决的问题。 以传统化学法还原、表面活性剂改性的石墨烯片为原料,制备了石墨烯-四氧化三铁的磁性纳米复合材料,分别采用了AFM、XRD、TEM对改性的石墨烯片和复合材料进行了表征,并对该复合材料在电化学传感器方面的应用进行了初步的研究,研究结果表明:该复合材料晶相纯,分布均匀,纳米颗粒的粒径大约在10-30nm,该材料表现出了明显的顺磁性,随着Fe304包覆量的增大,复合材料的饱和磁化强度明显增加。此外,该复合材料结合了石墨烯良好的电化学性能以及磁性纳米颗粒的过氧化物模拟酶活性,电催化性能得到一定的提高,这一改性电极在电化学传感器方面具有一定的潜在应用。


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