氧化石墨烯和石墨烯基复合材料的制备与性能研究

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1、硕士学位论文氧化石墨烯和石墨烯基复合材料的制备与性能研究作者姓名吴文刚学科专业材料学指导教师钟明峰所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年4月Researchonpreparationandperformanceofgrapheneoxide-basedandgraphene-basedcompositematerialsADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：WuwengangSupervisor：Prof.ZhongMingfengSouthCh

2、inaUniversityofTechnologyGuangzhou,China摘要氧化石墨烯和石墨烯作为平面多环芳烃族的典型物质，因含sp2杂化碳原子，并以共价键紧密连接形成蜂窝状二维晶体结构，而拥有独特的电学，光学，热学和机械性能，已成为国内外新型碳基材料研究热点。本文研究了乙二烯三胺改性的磁性氧化石墨烯（DLTA-mGO）复合物的制备及其金属离子镉Cd（II）吸附性能，以及石墨烯/碳纳米管/海藻酸钠复合气凝胶的制备及其应变传感性能。（一）为解决氧化石墨烯吸附镉离子能力不足，且不能从水溶液中分离的问题，我们以乙二烯三

3、胺（DLTA），氧化石墨烯（GO）以及共沉淀法制备的四氧化三铁为原料，通过无催化剂的原位聚合法制得DLTA-mGO复合材料。通过TEM、FT-IR和XPS等方法对所合成DLTA-mGO的特性进行表征，并对其吸附量、吸附动力学和热力学、吸附影响因素进行研究。研究结果显示：（1）通过DLTA的改性，增加了DLTA-mGO氨基和亚氨基基团，从而大幅提高DLTA-mGO对Cd（II）的吸附量，其吸附量高达114.5mg/g，与GO、磁性氧化石墨烯（mGO）相比分别提高了71.7%、94.7%。DLTA-mGO的磁饱和强度为28.

4、5emu/g,容易从水溶液中分离。（2）DLTA-mGO吸附动力学数据与准二阶2模型拟合曲线具有较高的相关系数值（R=0.99612），表明吸附速率主要由化学吸附阶2段控制。DLTA-mGO的吸附等温线与Langmuir吸附等温线（R=0.9922）更吻合，说明其吸附过程主要由单分子层的化学吸附。（3）响应曲面法（RSM）的研究发现金属离子浓度（A）、溶液pH（B）和温度（C）之间存在较强的交互作用：影响大小的顺序为：AB>BC>AC。（二）为改善目前一些应变传感器材料中弹性低、机械稳定性差和对压缩敏感性差等问题，我们以

5、氧化石墨烯（GO）、碳纳米管（CNTs）和海藻酸钠（SA）为原料，通过冷冻干燥、水热还原等步骤合成石墨烯/碳纳米管/海藻酸钠（rGO/SA/CNTs）复合气凝胶。通过SEM、TEM、FT-IR对复合气凝胶其进行表征，并对其疏水性能、机械性能、电学性能进行研究。研究结果显示：（1）按质量比GO:SA:CNTs=20:3:7得到的rGO/SA/CNTs-3孔结构均匀性和片层堆垛规则性较好，具有良好的抗疲劳强度、机械稳定性和灵敏性。其接触角为127°，具有较好的疏水性。（2）与纯GO气凝胶相比，rGO/SA/CNTs-3复合气

6、凝胶具有高弹性，当应变ɛ为50％时，应力从3000Pa增加到8400Pa。200次压缩回弹测试结果表明rGO/SA/CNTs-3复合气凝胶具有良好的弹性和稳定性，这归因于石墨烯与碳纳米管和海藻酸钠之间的协同作用。扫描电镜分析发现CNTs嵌入I在GO上，形成大量小―漏斗‖均质孔结构。红外分析显示SA与GO之间有氢键作用。（3）500次抗压响应试验结果表明，rGO/SA/CNTs-3复合气凝胶的电阻响应值(△R/R0)与应变ε（ɛ为50％）之间的关系大致呈周期性线性关系。经500次压缩循环后，△R/R0值从58.0％稍微降低

7、至55.8％。（4）当应变为30％、50％、70％时，rGO/SA/CNTs-3复合气凝胶的灵敏度系数均较高。当应变ɛ为30％时，灵敏度系数最高，达到1.4。关键词：氧化石墨烯；石墨烯；镉离子吸附；应变传感；弹性IIAbstractGrapheneoxideandgraphenearetypicalmaterialsoftheplanarpolycyclicaromatichydrocarbons.Becauseofthehoneycomb2-Dcrystalstructureformedbythecloseco-bon

8、dingofsp2hybridizedcarbonatoms,theyhaveuniqueelectrical,optical,thermalandmechanicalproperties.Theyhavebecomearesearchhotspotfornewcarbon-basedmaterialsathomea