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含银、铜、铋的石墨烯复合材料的制备和性能研究

沈博  
【摘要】:天然鳞片石墨是一种储量丰富的矿物材料,通过加工使其纳米化可以带来独特理化性能。石墨烯是一种新型纳米碳材料,可以从天然鳞片上剥离得到,具有奇特的电学、光学、力学和热学性质,有望应用于晶体管、纳米器件以及高性能电池等方面。本论文以石墨烯的制备及复合应用为主线,研究了石墨烯的制备、复合及其复合材料的介电、光催化性能。 本文首先研究了石墨烯的探索制备。分别采用直接氧化法和预氧化法制备得到氧化石墨,而后采用不同的还原剂还原得到石墨烯,通过SEM、TEM和AFM分析了石墨烯的形貌特征,进行了FTIR、XRD表征。结果表明,预氧化法制备的氧化石墨氧化程度更高,水合肼做还原剂能更好的将氧化石墨还原,所得石墨烯的导电率达到1.11×103s/cm,为下一步复合材料的制备提供了保证。 其次,制备了有银粒子负载的载银石墨烯材料,并以此为填料,聚酰亚胺为基体,采用原位聚合的方法制备了载银石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜;作为对照制备了石墨烯/PI复合薄膜。重点研究了填料含量及分散状态对纳米复合材料介电性能的影响。研究表明,石墨烯和载银石墨烯在PI中呈一定的取向,载银石墨烯比石墨烯更易分散,两种复合薄膜的介电规律都符合渗流理论。石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜和载银石墨烯/PI复合薄膜的的渗流阈值分别仅为0.9vol%和1.07vol%,而介电常数最高可达到13.87(100Hz)和8.91(100Hz),具有较低的频率依赖性,并且介电损耗较小,为10-2数量级。 最后,以氧化石墨烯为载体,在其上负载半导体材料,制备得到纳米氧化亚铜/还原石墨烯(Cu2O/rG)复合材料和磷酸铋/还原石墨烯(BiPO4/rG)复合材料,并研究了两者的光催化性能。研究表明石墨烯的加入对Cu2O的微观形貌以及BiPO4的晶型产生极大影响,同时导致Cu2O和BiPO4的禁带宽度变大,石墨烯良好的导电性可以使光生电子迅速转移,从而降低光生电子空穴复合率,使得复合材料的光催化性能提高。Cu2O/rG复合材料对TNT红水具有一定的光催化效果,对TNT红水的降解率最高可达42.6%;BiPO4/rG复合材料对亚甲基蓝溶液具有很好的光催化效果,其光催化反应符合一阶动力学,降解动力学常数k值最高可达k=0.064min-1。


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