几种碳纳米材料的制备及其应用研究

几种碳纳米材料的制备及其应用研究

碳基纳米材料是指分散相至少有一维小于100 nm的碳材料。分散相可以由碳原子组成,也可以由其它原子(非碳原子)组成。

到目前为止,发现的碳基纳米材料有富勒烯、碳纳米管、石墨烯、荧光碳点及其复合材料。碳基纳米材料在硬度、耐热性、光学特性、耐辐射特性、电绝缘性、导电性、耐化学药品特性、表面与界面特性等方面都比其它材料优异,可以说碳基纳米材料几乎包括了地球上所有物质所具有的特性,如最硬—最软,全吸光—全透光,绝缘体—半导体—良导体,绝热—良导热等,因此具有广泛的用途。

发展制备这些材料的新方法、新技术,研究这些材料不同的纳米结构对性质的影响,不仅有重要的理论价值,而且对能源和生命分析领域的快速发展也具有重要的实际意义。在本论文工作中,以碳基纳米材料为主体,以微波水热、溶剂热等液相合成策略为手段,从探索纳米材料的结构、表面性质与其性能的关系出发,构建功能化碳基纳米材料,以满足在能源和生命分析应用中的要求。

本论文研究工作主要包括以下几方面的内容:1.微波辅助原位合成石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩复合物及其在超级电容器中的应用本工作中我们报道了一个新颖的微波辅助原位合成石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩复合物的新方法。首先,石墨烯氧化物(GO)和3,4-乙烯二氧噻吩单体(EDOT)通过两者间的吸附作用形成GO/EDOT复合物。

然后,在微波加热条件下,GO表面吸附的EDOT单体被GO氧化聚合为聚3,4-乙烯二氧噻吩,同时GO转化为石墨烯,进而形成石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩(G/PEDOT)复合物。产物中不含过量的EDOT或GO,从而保证了复合物的纯度。

本研究还对该复合物的结构进行了表征,利用循环伏安和恒电流充放电技术

研究了该材料的电化学性能,实验结果表明该材料具有高的比电容和很好的循环性能。本研究提供了一种制备石墨烯复合材料的新方法,并且所制备的复合物在能源领域中应用前景广阔。

2.比例可调的石墨稀/聚3,4-乙烯二氧噻吩复合物的制备及其在超级电容

器中的应用由于第一个研究工作中合成的石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩复合物,

其石墨烯和聚3,4-乙烯二氧噻吩的量比取决于乙烯二氧噻吩单体在石墨烯表面

的吸附量,因此限制了石墨烯和聚3,4-乙烯二氧噻吩的量比的可调性。本工作中进一步研究了石墨烯与PEDOT的相对含量对G/PEDOT复合物电性能的影响,在微波加热条件下,通过控制溶液中GO和EDOT单体的质量比,在更宽的范围内,合成了不同比例的石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩复合物。

利用场发射扫描电子显微镜,X射线能谱及其元素成像,拉曼光谱,X射线衍

射分析,循环伏安和恒电流充放电等手段对石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩复合物

的形貌、结构、组成和性能进行了研究。实验结果表明:不同比例的石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩复合物呈现出不同的比电容。

当GO和EDOT质量比为2:1时,所得到的G/PEDOT复合物的电容值最大,当充放电电流为:0.5 Ag-1时其电容值为362 Fg-1。3.以头发纤维为前驱体合成具有可调荧光特性的硫、氮共掺杂碳点及其生物应用本研究提出了一种简易地制备硫、氮共掺杂荧光碳点的新方法。

以头发为前驱体,用硫酸进行碳化切割,得到硫、氮共掺杂的荧光碳点。该方法合成过程简单,成本低,有望用于其它掺杂荧光碳点的制备。

在材料制备过程中,通过改变合成条件来调节碳点的尺寸和元素含量,从而

调节其光致发光性能。实验结果表明:随着反应温度的升高,硫的含量增加,荧光

发生红移,粒径减小。

该碳点具有荧光稳定性好、毒性低、良好的生物相容性和很好的溶解性。并将所制备的碳点用作荧光探针进行了细胞成像等生物方面的初步应用探索。