石墨烯—磁性尖晶石型鐵氧體多功能異質(zhì)結(jié)的控制合成及其性質(zhì)研究.pdf

1、近年來，隨著納米碳材料的興起，越來越多的高效催化劑以及高性能電極材料的應(yīng)用成為了可能。而由碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的石墨烯，作為納米碳材料家族中的新興成員已在實(shí)驗(yàn)科學(xué)和理論科學(xué)上受到了極大的關(guān)注。由于其特殊的二維納米結(jié)構(gòu)，獨(dú)特的物理化學(xué)性能，使得石墨烯能夠在納米電子學(xué)、傳感器、光催化、超級電容器、鋰離子電池等諸多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。 在本論文中，設(shè)計(jì)、制備了一系列的石墨烯-磁性尖晶石型鐵氧體多功能異質(zhì)結(jié)，并研究其吸附性能

2、、可見光催化性能和作為鋰離子電池陽極材料的電化學(xué)性能。石墨烯與磁性尖晶石型鐵氧體的復(fù)合實(shí)現(xiàn)了二者在性能上的優(yōu)勢互補(bǔ)，有望獲得性能優(yōu)異的多功能材料。具體內(nèi)容如下:
　　 1.石墨烯-磁性尖晶石型鐵氧體多功能異質(zhì)結(jié)的設(shè)計(jì)與制備。
　　 氧化石墨烯是常用的石墨烯衍生物，具有豐富的含氧基團(tuán)，如羥基、羧基和環(huán)氧基等，在水和多種有機(jī)溶劑中都具有較好的分散性，同時(shí)還能作為良好的載體。論文首先以膠體石墨為原料制備了高氧化程度的氧化石墨烯

3、，利用氧化石墨烯表面豐富的含氧官能團(tuán)為反應(yīng)活性點(diǎn)，以能夠形成磁性尖晶石型鐵氧體的金屬鹽(Fe，Zn，Co，Ni，Mn，Cu等)為金屬源，通過金屬離子與氧化石墨烯含氧負(fù)電基團(tuán)的配位形成反應(yīng)前驅(qū)體，通過軟化學(xué)方法控制合成石墨烯-磁性尖晶石型鐵氧體多功能異質(zhì)結(jié)，并通過X射線粉末衍射(XRD)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)、拉曼光譜(Raman)、X射線光電子能譜(XPS)、透射電子顯微鏡(TEM)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)和N2吸

4、（脫）附等溫曲線等技術(shù)進(jìn)行了一些列詳細(xì)的表征。結(jié)果表明石墨烯和磁性尖晶石型鐵氧體的復(fù)合能夠有效的控制磁性尖晶石型鐵氧體的形貌、粒子的尺寸和分散性。
　　 2.石墨烯-磁性尖晶石型鐵氧體多功能異質(zhì)結(jié)的吸附性能研究。
　　 以制備的石墨烯-磁性尖晶石型鐵氧體多功能異質(zhì)結(jié)作為吸附劑，以亞甲基藍(lán)作為吸附物質(zhì)來研究石墨烯-磁性尖晶石型鐵氧體多功能異質(zhì)結(jié)的吸附性能。結(jié)果顯示:石墨烯-磁性尖晶石型鐵氧體多功能異質(zhì)結(jié)對亞甲基藍(lán)具有超好的

5、吸附性能，298 K，靜態(tài)吸附1h后，吸附趨于平衡。吸附過程符合二級吸附動力學(xué)方程，吸附過程的吸附等溫模型符合LangInuir等溫式，可以用單分子層吸附理論加以解釋。
　　 3.石墨烯-磁性尖晶石型鐵氧體多功能異質(zhì)結(jié)的可見光催化性能及其機(jī)理研究。
　　 以制備的石墨烯-磁性尖晶石型鐵氧體多功能異質(zhì)結(jié)作為可見光催化劑，采用光化學(xué)反應(yīng)儀，通過降解有機(jī)污染物廢水（如亞甲基蘭、甲基橙、羅丹明B、活性黑等）研究了催化劑的可見光催

6、化性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在可見光輻射下純磁性尖晶石型鐵氧體是惰性的，幾乎沒有催化活性。而當(dāng)石墨烯與磁性尖晶石型鐵氧體復(fù)合后，可見光催化活性明顯增加，這主要?dú)w因于石墨烯與磁性尖晶石型鐵氧體之間的協(xié)同作用，導(dǎo)致光生電子和空穴的有效分離。在光催化反應(yīng)過程中，羥基自由基氧化反應(yīng)占主導(dǎo)地位。此外，石墨烯-磁性尖晶石型鐵氧體多功能異質(zhì)結(jié)具有較好的磁學(xué)性能，能夠作為可磁分離的催化劑使用。
　　 4.石墨烯-磁性尖晶石型鐵氧體多功能異質(zhì)結(jié)作為鋰離

7、子電池陽極材料的儲電性能及其機(jī)理研究。
　　 以制備的石墨烯-磁性尖晶石型鐵氧體多功能異質(zhì)結(jié)作為鋰離子電池陽極材料，研究了其電化學(xué)性能。結(jié)果顯示，與純磁性尖晶石型鐵氧體電極相比，石墨烯-磁性尖晶石型鐵氧體多功能異質(zhì)結(jié)電極給出了較高的可逆容量，并且具有較好的循環(huán)性能和倍頻性能，這主要?dú)w因于磁性尖晶石型鐵氧體與石墨烯之間顯著的協(xié)同作用:石墨烯巨大的比表面積有利于控制磁性尖晶石型鐵氧體的顆粒尺寸與分散度，提供更多的鋰離子嵌入/脫嵌位點(diǎn)

8、，同時(shí)有利于電解液與石墨烯-磁性尖晶石型鐵氧體多功能異質(zhì)結(jié)電極充分接觸，并能儲存較多電荷。石墨烯的引入，由于其較好的柔韌性能在充放電過程中起到緩沖器的作用，使得電極體積膨脹/收縮效應(yīng)得到緩沖，從而提高石墨烯-磁性尖晶石型鐵氧體多功能異質(zhì)結(jié)電極的循環(huán)性。此外，石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性和電子傳輸性能夠顯著提高石墨烯-磁性尖晶石型鐵氧體多功能異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)電性，從而有利于電極/電解液中電荷傳遞，降低溶液電阻和電荷轉(zhuǎn)移電阻，使得石墨烯-磁性尖晶石型鐵氧體

9、多功能異質(zhì)結(jié)電極具有較好的倍頻性能。
　　 5.釩酸鉍-鐵酸鈷-石墨烯異質(zhì)結(jié)的設(shè)計(jì)、制備以及可見光催化性能研究。
　　 本論文中首先通過一步簡單的水熱法合成了釩酸鉍-石墨烯異質(zhì)結(jié)，并通過XRD，F(xiàn)TIR，Raman，XPS，TEM和FESEM等技術(shù)對其進(jìn)行了詳細(xì)的表征。結(jié)果顯示，在釩酸鉍-石墨烯異質(zhì)結(jié)中，石墨烯被完全剝離開，同時(shí)釩酸鉍可以形成厚度15nm，粒徑1-1.3μm樹葉狀納米片。而沒有加入氧化石墨烯時(shí)，所形成的釩

10、酸鉍則為團(tuán)聚的、沒有固定形貌的納米粒子。這一結(jié)果證實(shí)了石墨烯在釩酸鉍合成的過程中，起到了特殊的模板作用，使得釩酸鉍粒子的生長具有一定的方向性，從而形成了樹葉狀納米片。同時(shí)與純釩酸鉍相比，釩酸鉍-石墨烯異質(zhì)結(jié)通過石墨烯與樹葉狀釩酸鉍納米片的協(xié)同效應(yīng)，對可見光催化降解亞甲基藍(lán)(MB>、羅丹明B(RhB)、甲基橙(MO)、活性黑(BL-G)染料廢水，都顯示出較好的催化活性。接下來，同樣通過簡單的一步反應(yīng)，成功制備了釩酸鉍-鐵酸鈷-石墨烯異質(zhì)結(jié)