原位制备氧化钛/氮掺杂石墨烯空心球光催化剂及其光催化CO2还原性能研究

利用光催化技术将二氧化碳转化为化学燃料是缓解温室效应以及能源危机的理想途径之一.因此,开发高效的光催化剂是当务之急.氧化钛由于具有优异的物理化学稳定性、成本低廉、无毒性以及环境友好等优点,近年来被广泛关注.此外,空心球结构光催化剂具有短的载流子扩散距离、良好的光散射性以及较大的比表面积等优点,从而成为光催化二氧化碳还原最有潜力的候选材料.但纯的氧化钛空心球由于较快的光生载流子复合速率从而导致低的光催化效率.因此,为了应对这一挑战,我们尝试在氧化钛空心球表面负载助催化剂用以促进光生载流子的分离,从而提高光催化二氧化碳还原转换效率.在各种助催化剂中,贵金属被证明是有效的.然而,高成本以及稀缺性限制了贵金属的广泛应用.因此,有必要设计成本低廉的助催化剂替代品.石墨烯以其优异的导电性、较大的功函数以及来源丰富而备受关注.当石墨烯与n型半导体光催化剂结合在一起时,能够显著促进光生电子从半导体光催化剂向石墨烯的定向迁移,从而有效地抑制光生电子与空穴的复合.当石墨烯中掺杂氮元素时,石墨烯骨架中的电子密度会进一步提高,同时,氮原子中的孤对电子更加有利于石墨烯骨架中的电子传输.此外,氮掺杂石墨烯中不同的氮位点(吡啶氮、吡咯氮和石墨氮)作为路易斯碱位点,能够用以二氧化碳分子的吸附以及活化.然而,迄今为止,最常用的制备半导体/氮掺杂石墨烯纳米复合光催化剂的方法是在氮掺杂石墨烯表面生长半导体光催化剂.所制备的光催化剂与氮掺杂石墨烯之间界面接触有限,不利于光生载流子的快速传递与分离.此外,助催化剂和光催化剂之间建立高质量的界面接触可以有效地抑制光生电子与空穴的复合.因此,有必要绕开传统制备方法的弊端,从而设计与光催化剂之间具有大的接触面积和紧密的界面接触以及具有丰富活性位点的高质量氮掺杂石墨烯助催化剂.本文提出了一种新的策略,以吡啶为氮掺杂石墨烯的前驱体,通过化学气相沉积方法在氧化钛空心球表面原位生长超薄氮掺杂石墨烯层(1～2层).此外,在高温状态下,吡啶分子脱氢生成具有优异扩散性质的脱氢吡啶自由基气相分子,随着反应的进行,氧化钛表面的每个纳米颗粒基元表面都能够与吡啶分子充分接触,从而保障两者之间大面积以及紧密的界面接触.光催化二氧化碳还原性能测试结果表明,优化后的氧化钛/氮掺杂石墨烯空心球纳米复合材料的二氧化碳光催化总转化率(一氧化碳、甲醇和甲烷的总产率)为18.11 μmol g-1 h-1,是空白氧化钛空心球的4.6倍和商业P25的10.7倍.高分辨透射电子显微镜、X射线光电子能谱以及拉曼光谱结果表明,成功构建了氧化钛与氮掺杂石墨烯之间紧密接触的界面.同时,氮掺杂石墨烯的引入能够显著增强复合光催化剂的表面光热效应以及氧化钛与氮掺杂石墨烯界面肖特基势垒的形成均有助于促进光催化二氧化碳还原反应的进行.因此,本文为石墨烯基光助催化剂的原位构建提供了一种行之有效的策略.     

原位制备氧化钛/氮掺杂石墨烯空心球光催化剂及其光催化CO_2还原性能研究（英文）

利用光催化技术将二氧化碳转化为化学燃料是缓解温室效应以及能源危机的理想途径之一.因此,开发高效的光催化剂是当务之急.氧化钛由于具有优异的物理化学稳定性、成本低廉、无毒性以及环境友好等优点,近年来被广泛关注.此外,空心球结构光催化剂具有短的载流子扩散距离、良好的光散射性以及较大的比表面积等优点,从而成为光催化二氧化碳还原最有潜力的候选材料.但纯的氧化钛空心球由于较快的光生载流子复合速率从而导致低的光催化效率.因此,为了应对这一挑战,我们尝试在氧化钛空心球表面负载助催化剂用以促进光生载流子的分离,从而提高光催化二氧化碳还原转换效率.在各种助催化剂中,贵金属被证明是有效的.然而,高成本以及稀缺性限制了贵金属的广泛应用.因此,有必要设计成本低廉的助催化剂替代品.石墨烯以其优异的导电性、较大的功函数以及来源丰富而备受关注.当石墨烯与n型半导体光催化剂结合在一起时,能够显著促进光生电子从半导体光催化剂向石墨烯的定向迁移,从而有效地抑制光生电子与空穴的复合.当石墨烯中掺杂氮元素时,石墨烯骨架中的电子密度会进一步提高,同时,氮原子中的孤对电子更加有利于石墨烯骨架中的电子传输.此外,氮掺杂石墨烯中不同的氮位点(吡啶氮、吡咯氮和石墨氮)作为路易斯碱位点,能够用以二氧化碳分子的吸附以及活化.然而,迄今为止,最常用的制备半导体/氮掺杂石墨烯纳米复合光催化剂的方法是在氮掺杂石墨烯表面生长半导体光催化剂.所制备的光催化剂与氮掺杂石墨烯之间界面接触有限,不利于光生载流子的快速传递与分离.此外,助催化剂和光催化剂之间建立高质量的界面接触可以有效地抑制光生电子与空穴的复合.因此,有必要绕开传统制备方法的弊端,从而设计与光催化剂之间具有大的接触面积和紧密的界面接触以及具有丰富活性位点的高质量氮掺杂石墨烯助催化剂.本文提出了一种新的策略,以吡啶为氮掺杂石墨烯的前驱体,通过化学气相沉积方法在氧化钛空心球表面原位生长超薄氮掺杂石墨烯层(1～2层).此外,在高温状态下,吡啶分子脱氢生成具有优异扩散性质的脱氢吡啶自由基气相分子.随着反应的进行,氧化钛表面的每个纳米颗粒基元表面都能够与吡啶分子充分接触,从而保障两者之间大面积以及紧密的界面接触.光催化二氧化碳还原性能测试结果表明,优化后的氧化钛/氮掺杂石墨烯空心球纳米复合材料的二氧化碳光催化总转化率(一氧化碳、甲醇和甲烷的总产率)为18.11μmol g~(–1) h~(–1),是空白氧化钛空心球的4.6倍和商业P25的10.7倍.高分辨透射电子显微镜、X射线光电子能谱以及拉曼光谱结果表明,成功构建了氧化钛与氮掺杂石墨烯之间紧密接触的界面.同时,氮掺杂石墨烯的引入能够显著增强复合光催化剂的表面光热效应以及氧化钛与氮掺杂石墨烯界面肖特基势垒的形成均有助于促进光催化二氧化碳还原反应的进行.因此,本文为石墨烯基光助催化剂的原位构建提供了一种行之有效的策略.     

石墨烯和硼氮类石墨烯对LiFePO4表面结构的改进及其电导的促进作用

利用密度泛函理论研究石墨烯和硼氮类石墨烯包覆对LiFePO₄ (010)表面结构和电导性质的影响. 结果表明包覆层和LiFePO₄ (010)表面之间的相互作用可以改善LiFePO₄ (010)表面的电导性能. 石墨烯包覆LiFePO₄ (010)表面后, 禁带宽度从3.3 eV减小到2.1 eV. 硼氮类石墨烯包覆LiFePO₄ (010)表面后, 虽然其价带顶和导带底仍由Fe的3d轨道贡献, 但禁带中出现两个间隔为0.6 eV的带隙态, 由硼氮类石墨烯与LiFePO₄(010)表面有直接接触并形成共价键的B原子和N原子贡献.     

石墨烯基纳米材料在抗菌涂层中的研究进展

抗菌涂料广泛应用于医疗保健、食品保鲜和医院消毒等多个行业领域。石墨烯是目前最受欢迎的纳米材料之一,在抗菌方面细菌表现出低耐药性,同时对哺乳动物细胞有较小的细胞毒性。石墨烯从物理和化学两个层面协同发挥抑菌效果,物理方面其尖锐边缘与细菌细胞膜的直接接触从而对脂质分子进行破坏性提取,而化学方面通过氧化应激所产生的活性氧以及电荷转移破坏细菌细胞膜。此外,石墨烯用于作为分散和稳定各种纳米材料的载体,且得益于材料之间的协同作用,其复合材料具有较高的抗菌效率和良好的生物相容性,目前已在抗菌包装、伤口敷料和器械表面清洁等方面投入使用。本文首先概述了石墨烯的结构、安全性以及抗菌机理,对石墨烯复合涂层所取得的重要成果进行简要总结,最后综述了石墨烯材料在支架表面改性中的研究进展,展望了石墨烯抗菌涂层的未来发展趋势。     

石墨烯/MoS2异质结的界面相互作用及其肖特基调控的理论研究

本文基于第一性原理方法,系统研究了外电场对石墨烯/MoS₂范德瓦耳斯异质结界面相互作用及其电子性质的影响.计算结果表明石墨烯和MoS₂之间通过微弱的范德瓦耳斯力结合形成异质结,石墨烯/MoS₂异质结的能带基本上是单层石墨烯和单层MoS₂能带结构的简单叠加并形成了N型肖特基势垒;由于异质结的石墨烯层的电子向MoS₂层转移,导致石墨烯表面带正电,MoS₂表面带负电,在异质结内部形成了方向由石墨烯指向MoS₂的内建电场.此外,对异质结施加不同强度的负电场时,体系的接触类型逐渐由N型肖特基接触类型转变为欧姆接触;对异质结施加不同强度的正电场时,体系的P型肖特基势垒呈降低趋势,体系的N型肖特基势垒呈现先缓慢升高再急剧下降的特点,在电场强度提高至5.0 V·nm^-1附近时,接触类型由N型肖特基接触转变为P型肖特基接触.此项工作将对相关二维场效应晶体管的设计提供参考.     

石墨烯对镍钛形状记忆合金耐腐蚀性能的影响

利用化学气相沉积法在镍钛形状记忆合金表面原位生长出石墨烯,拟提高镍钛形状记忆合金的抗腐蚀性能。通过X射线光电子能谱、拉曼光谱与扫描电镜等手段对其表征,分析石墨烯修饰后的合金表面结构和形貌。在人工唾液环境中探究了石墨烯对镍钛形状记忆合金的腐蚀速率、细胞毒性和金属释放的影响。结果表明,石墨烯在金属基体和腐蚀介质之间可以起到物理屏蔽作用,可明显地降低金属基体发生腐蚀的速率,对镍钛合金具有较强的保护能力。     

石墨烯的功能化及其在储能材料领域中的应用

石墨烯是由sp~2杂化的碳原子紧密堆积成的单原子层二维碳材料,由于其优异的物理和化学性质被视为最有前景的新型材料之一。但由于石墨烯片层之间在范德华力的作用下易发生不可逆团聚,丧失其单层二维纳米片的结构特性,以及石墨烯表面呈现惰性状态,致使其与其他介质的相互作用较弱,难以均匀分散在极性或非极性的溶剂中,因而石墨烯的应用受到限制。对石墨烯进行功能化可以调控其分子结构、电子能级和化学性质,不仅可以有效抑制石墨烯的团聚而且能够改善其在溶剂中的分散性和稳定性,从而实现石墨烯基材料的多元化应用。本文综述了近年来共价键和非共价键功能化石墨烯以及其复合材料在储能领域的研究进展,并对功能化石墨烯的发展前景进行了展望。     

气体分子在二维石墨烯纳米孔中的选择性渗透特性（英文）

二维石墨烯纳米孔中气体分子的选择性渗透对多孔石墨烯分离膜非常重要。本文采用分子动力学方法研究了气体分子在氮氢修饰石墨烯纳米孔中的渗透特性,从分子的大小和结构、纳米孔的构型以及分子与石墨烯之间的作用强度等角度阐明了分子出现选择性渗透的原因。结果表明,不同分子的渗透率不同,即H_2O H_2S CO_2 N_2 CH_4。渗透率跟分子的质量和直径以及分子在石墨烯表面上的吸附密度有关;根据气体分子动理学理论,渗透率跟分子质量成反比关系;而分子在石墨烯表面上的高吸附密度对渗透起促进作用。对于H_2O和CH4分子,分子直径起主导作用;H_2O分子直径最小,其渗透率最大;同理,CH_4分子的渗透率最小。对于H_2S和CO_2分子,H_2S分子的直径较大,但其与石墨烯之间的作用强度较大(吸附密度较高),导致渗透率较高;对于CO_2和N_2分子,CO_2分子的直径较小,并且与石墨烯之间的作用强度较大,渗透率较高。同时发现,分子在纳米孔中的渗透使得其在石墨烯表面的密度分布极不均匀。纳米孔左右两侧的功能化氮原子使CH_4分子容易从孔两侧区域穿过,而其它分子由于直径较小在纳米孔中心区域穿过的概率最大。分子与石墨烯之间的作用越强,导致分子在石墨烯表面区域内停留的时间越长,最终使其在渗透纳米孔的过程中所经历的时间越长。本文所采用的氮氢修饰石墨烯纳米孔中,分子渗透速率达到~10~(-3)mol·s~(-1)·m~(-2)·Pa~(-1),并且其它分子相对于CH_4分子的选择性也很高,说明基于该类型纳米孔的多孔石墨烯分离膜在天然气处理等工业气体分离领域具有很好的应用前景。     

SiC衬底上石墨烯的性质、改性及应用研究

大面积高质量石墨烯的制备及其改性对于纳电子器件相关研究有重要意义. 本文综述了近年来SiC衬底上石墨烯的相关研究, 包括外延法制备石墨烯、石墨烯与SiC衬底的作用机理、SiC衬底上石墨烯的改性方法以及外延石墨烯在器件等方面应用的重要进展. 目前, 外延法的工艺较为成熟且制备的较大面积石墨烯品质较好. SiC衬底和石墨烯之间的相互作用与衬底的表面原子种类、表面态、原子成键、钝化程度、电荷转移等密切相关, 其对石墨烯的电子能带、载流子种类产生明显影响. 实验与理论计算的结合可望加深对SiC衬底与石墨烯作用机理的理解, 并指导外延石墨烯改性及其在器件应用方面的进一步研究.     

聚丙烯酸/氧化石墨烯复合水凝胶摩擦学性能研究

通过自由基聚合制备了聚丙烯酸(PAA)水凝胶。在水凝胶体系中掺入氧化石墨烯(GO),改善其机械强度。用往复摩擦试验机,在面-面接触的条件下考察了在不同载荷、速度、接触面积下,摩擦力和摩擦系数变化。实验结果表明,PAA水凝胶摩擦行为不遵从传统的固体摩擦定律(Amonton’s law)。通过与铜(Ⅱ)离子络合和去络合作用可实现摩擦系数从极低到较高的可逆调节。     

石墨烯基复合材料对污水净化的研究进展*

石墨烯基复合材料具有较大的比表面积、较高的表面能,对污染物具有较强的吸附能力,可用于去除水中的污染物,从而达到净化污水的目的。本文综述了几种石墨烯基复合材料的制备和其对水中化学类物质,如重金属离子、有机染料和其他污染物的吸附特性,并简述了溶液的酸度、接触时间和金属离子初始浓度等对石墨烯基复合材料吸附污染物的影响。     

基于对氨基苯磺酸重氮盐功能化制备亲水性磺化石墨烯的研究

石墨烯作为一种二维蜂窝状的纳米材料,以优异的热学、电学、机械性能以及潜在的应用前景受到人们的广泛关注.然而,石墨烯片与片之间存在范德华力,使其在分散液中容易发生团聚,极大限制了它的应用.为了充分发挥其优良性质,必须对石墨烯进行功能化,以制备高浓度稳定分散的石墨烯分散液.本文采用对氨基苯磺酸重氮盐与机械剥离法制备的石墨烯片(GS)表面共价键合,从而制备出亲水性磺化石墨烯(GS–SO_3H).通过对改性石墨烯片进行傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热重(TG)及X射线光电子能谱(XPS)等表征,证明了磺酸基团在石墨烯表面接枝,所得的改性石墨烯纳米片容易分散在各种极性溶剂中,同时改性后的石墨烯保持了良好的电化学性能,为其在电化学领域的应用提供了更多的应用与可能.     

酞菁铅在石墨烯表面吸附行为的拉曼光谱研究

利用石墨烯增强拉曼散射效应可以获得与石墨烯接触的某些分子的拉曼增强信号, 并且对于不同的分子或振动模, 其拉曼增强因子不同. 根据这一特征, 本工作利用拉曼光谱技术对石墨烯表面上酞菁铅(PbPc)分子Langmuir-Blodgett (LB)膜在退火过程中吸附构型的变化进行了跟踪研究. 发现随着退火温度的升高, 石墨烯表面上PbPc分子的拉曼信号经历了一个先增强后减弱的过程, 在升华温度点附近强度达到最大, 表明PbPc发生了由直立向平躺取向的转变; 同时, 在PbPc分子升华温度点附近, 由于对称性破坏导致散射截面低的振动模出现, 并且该振动模强度随着退火温度的进一步升高而增强, 表明非平面的PbPc分子受石墨烯π-π相互作用的影响而形变加剧, 向平面结构转变; 在更高的退火温度下, 则出现一些不属于PbPc分子的拉曼振动峰, 表明PbPc分子在石墨烯表面由Pb(II)被还原成Pb(0).     

机械剥离石墨烯修饰电极检测食品接触材料中双酚A的迁移量

采用机械剥离石墨烯修饰电极快速检测食品接触材料中双酚A的迁移量。X射线电子衍射表征显示机械剥离石墨烯表面不存在含氧官能团,与化学还原石墨烯相比,机械剥离石墨烯对双酚A具有更好的电催化性能,降低了双酚A的氧化过电位,提高了电流响应。在优化的试验条件下,双酚A的浓度在1.0×10-7~1.5×10-5mol·L-1范围内与氧化峰电流呈线性关系,检出限(3S/N)为3.0×10-8mol·L-1。采用该电极对食品模拟物中的双酚A进行检测,加标回收率在85.1%~104%之间,测定值的相对标准偏差(n=6)在2.7%~5.9%之间。     

气体分子在二维石墨烯纳米孔中的选择性渗透特性

二维石墨烯纳米孔中气体分子的选择性渗透对多孔石墨烯分离膜非常重要。本文采用分子动力学方法研究了气体分子在氮氢修饰石墨烯纳米孔中的渗透特性,从分子的大小和结构、纳米孔的构型以及分子与石墨烯之间的作用强度等角度阐明了分子出现选择性渗透的原因。结果表明,不同分子的渗透率不同,即H₂O＞H₂S＞CO₂＞N₂＞CH₄。渗透率跟分子的质量和直径以及分子在石墨烯表面上的吸附密度有关;根据气体分子动理学理论,渗透率跟分子质量成反比关系;而分子在石墨烯表面上的高吸附密度对渗透起促进作用。对于H₂O和CH₄分子,分子直径起主导作用;H₂O分子直径最小,其渗透率最大;同理,CH₄分子的渗透率最小。对于H₂S和CO₂分子,H₂S分子的直径较大,但其与石墨烯之间的作用强度较大(吸附密度较高),导致渗透率较高;对于CO₂和N₂分子,CO₂分子的直径较小,并且与石墨烯之间的作用强度较大,渗透率较高。同时发现,分子在纳米孔中的渗透使得其在石墨烯表面的密度分布极不均匀。纳米孔左右两侧的功能化氮原子使CH₄分子容易从孔两侧区域穿过,而其它分子由于直径较小在纳米孔中心区域穿过的概率最大。分子与石墨烯之间的作用越强,导致分子在石墨烯表面区域内停留的时间越长,最终使其在渗透纳米孔的过程中所经历的时间越长。本文所采用的氮氢修饰石墨烯纳米孔中,分子渗透速率达到~10^-3 mol·s^-1·m^-2·Pa^-1,并且其它分子相对于CH₄分子的选择性也很高,说明基于该类型纳米孔的多孔石墨烯分离膜在天然气处理等工业气体分离领域具有很好的应用前景。     

钾离子影响下凝血酶适配子在氧化石墨烯表面吸附行为的研究

FAM荧光基团标记的凝血酶适配子通过π-π相互作用、疏水作用等分子间相互作用力与氧化石墨烯(GO)结合;通过向反应体系中加入0~50mmol/L K~+,使用荧光分光光度计记录FAM基团的荧光变化,研究凝血酶适配子在氧化石墨烯表面的吸附行为。不存在K~+时,凝血酶适配子以单链形式吸附在氧化石墨烯表面;随着K~+的加入,凝血酶适配子形成G-四聚体结构,脱离氧化石墨烯表面;当K~+浓度从0mmol/L增加到50mmol/L,K~+屏蔽G-四聚体与氧化石墨烯之间的静电斥力,凝血酶适配子重新吸附到氧化石墨烯表面。研究结果证实,K~+影响下,凝血酶适配子在氧化石墨烯表面存在吸附-解吸-再吸附过程。     

超级电容器用石墨烯薄膜：制备、基元结构及表面调控

石墨烯薄膜是一种以石墨烯纳米片为基元结构的宏观体,通过合理的结构设计和表面修饰使其具有优异的电学、力学和热学性能,将在电化学储能、电子器件、健康和环保等领域具有潜在的应用。本文主要综述了从石墨烯基元调控到二维宏观膜组装以及石墨烯薄膜在超级电容器应用中的研究进展。主要介绍了石墨烯薄膜的简易制备方法,并详细介绍了通过对石墨烯基元的结构调控和表面修饰来优化石墨烯薄膜电化学性能的两大策略,最后对石墨烯薄膜应用所面临的挑战和未来的发展进行了总结与展望。     

石墨烯玻璃:玻璃表面上石墨烯的直接生长

玻璃是一种历史悠久、用途广泛的无定形硅酸盐材料,而石墨烯则是近年来发现的仅由碳原子组成的二维层状材料。石墨烯具有超高的机械强度、导电性、导热性和透明性,恰好与传统的玻璃形成互补。将石墨烯与玻璃结合在一起,在保持透明性的基础上,同时赋予普通玻璃导电性、导热性和表面疏水性,具有非常重要的实际意义和理论价值。相比于液相涂膜或者转移的方法,直接在玻璃表面生长石墨烯能够从根本上避免由于污染和破损引起的石墨烯性能的下降,从而发展出一种新型材料——石墨烯玻璃。本文介绍了我们研究组在各种玻璃表面直接生长石墨烯的研究进展,其中包括石墨烯在固态耐高温玻璃和熔融态玻璃表面的高温生长,以及利用等离子体辅助手段实现石墨烯在普通玻璃表面的低温生长,并以此为基础发展出多种基于石墨烯玻璃的应用实例。总结展望了石墨烯玻璃的制备和应用的未来挑战与发展方向。     

Cs的覆盖度对Cs/石墨烯的结构稳定性和场发射性能影响

采用密度泛函理论方法,对Cs以不同覆盖度吸附在石墨烯表面时系统的结构稳定性和场发射性能进行了研究。计算结果表明单原子Cs吸附在石墨烯表面的碳六元环的中心位置时系统的能量最低。随着Cs的覆盖度增加,碱金属Cs与石墨烯之间的吸附作用逐渐增强,(4×4)R 0°和(2×2)R 0°结构是稳定的。由于碱金属Cs的修饰作用,Cs/石墨烯体系的功函明显下降,且随着碱金属Cs的覆盖度增大,系统的功函逐渐减小。态密度的计算结果表明功函的下降主要与Cs和石墨烯之间的电子转移有关。随着覆盖度的增大,石墨烯的电子态逐渐向低能方向移动,系统的费米能级升高并导致材料的功函下降。     

电位调控制备还原氧化石墨烯的电催化性能研究

本文通过控制电位还原氧化石墨烯,可控制备不同含氧官能团的石墨烯纳米材料。以多巴胺、[Fe(CN)_6]~(3-)、NADH为电活性探针,研究了石墨烯表面含氧官能团、缺陷、表面荷电性质以及导电性等对石墨烯电催化性能的影响。研究发现,低还原程度的氧化石墨烯表面含有大量缺陷和丰富的官能团,能够促进多巴胺自催化反应,也有利于K_3[Fe(CN)_6]在电极表面的电子转移;随着氧化石墨烯还原程度提高,其导电性逐渐得到改善,且其表面官能团和缺陷位点数量逐渐减少,对NAD~+的吸附变弱,因而能促进NADH发生电催化氧化。