石墨烯纳米卷的制备及其应用研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：201321504018河北工业大学硕士学位论文石墨烯纳米卷的制备及其应用研究论文作者：张晓璐学生类别：全日制学科门类：理科学科专业：高分子化学与物理指导教师：杨永芳职称：副教授DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofChemistryandPhysicsofPolymersPreparationofGrapheneNanoscrollsandTheirApplicationbyZhangXiaoluSupervisor:AssociateProfesso

2、rYangYongfangMay2016摘要石墨烯纳米卷是一种新型的一维碳纳米材料，由二维的石墨烯片层卷曲而成。石墨烯纳米卷的基础构筑单元是石墨烯，因此具有与石墨烯相似的一些性能，如高的电导率、极好的导电性和强的机械性能等。与碳纳米管相比，石墨烯纳米卷具有开放的两端，通过插入或掺杂的方式具有可调的内部容积和直径，独特的拓扑结构使石墨烯纳米卷在储能、电容器、催化等多方面具有广泛的应用前景，引起人们的研究兴趣。本论文从以下方面对其进行研究：首先探索了几种石墨烯纳米卷的制备方法，随后探究了超声法制备石墨烯纳米卷的影响因素。然后选用一种可以大量制备石墨烯纳米卷的方法--冻干法制备石墨烯纳米

3、卷，并研究其对甲醇的电催化氧化性能。本论文主要研究内容如下：(1)石墨烯纳米卷的制备探索了疏水粒子诱导法、真空干燥法和超声法三种制备石墨烯纳米卷的方法，并着重优化了超声法的实验条件。首先采用Staudemaier法制备氧化石墨烯，随后通过热还原方法得到石墨烯。再通过原子转移自由基聚合(ATRP)制得带有芘端基的聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(PDMAEMA)。然后在硅片上依次滴涂上PDMAEMA、rGO、富勒烯(C60)的相应溶液使其干燥成膜，之后在超声作用下使这种异质多层膜在相应溶剂中脱落、碎裂并自发卷曲。通过傅立叶红外光谱、扫描电镜、透射电镜等测试对产物结构进行表征，探讨其

4、卷曲行为的影响因素。(2)GO-PDA-Au纳米卷的制备及其对甲醇的电催化氧化性能研究首先将聚多巴胺(PDA)粘附在GO片层上，制备GO-PDA复合材料，然后在其表面分别均匀负载上不同尺寸的金纳米粒子，得到GO-PDA-Au片层，再通过液氮冷冻、干燥后得到GO-PDA-Au纳米卷。通过傅立叶红外光谱，紫外-可见吸收光谱，X射线衍射，拉曼光谱，透射电镜等表征手段，确定纳米卷的结构。并以GO-PDA-Au片层和GO-PDA-Au纳米卷为电极研究了它们对甲醇的电催化氧化性能。由于具有独特的卷曲结构，GO-PDA-Au纳米卷表现出比GO-PDA-Au片层更好的电催化活性和长期稳定性，GO-

5、PDA-Au纳米卷可以作为一种催化剂，将在催化方面具有很大的应用前景。关键词：石墨烯，PDMAEMA，聚多巴胺，纳米卷，电催化IAbstractGraphenenanoscrolls(GNSs)isanewtypeofone-dimensionalcarbonnanomaterialsbyrollinguptwo-dimensionalgraphenesheets.GNSshavesharedthesimilarpropertieswiththebasalbuildingblock---graphenesuchashighthermalconductivity,excellente

6、lectricalconductivityandstrongmechanicalproperties.Comparedtocarbonnanotube(CNT),GNSspossessopenends,adjustableinterlayergalleriesanddiameterbyintercalationordoping.Duetotheirspecialtopologicalstructure,GNSsareexpectedtohavegreatpotentialapplicationsinenergystorage,supercapacitors,andcatalytic

7、.Ithasgraduallyattractedpeople'sinterestinthestudy.Thispaperfromthefollowingaspectsofresearchonit:Inthispaper,threemethodstopreparegraphenenanoscrollswerefirstexplored.Amongthem,theexperimentalconditionsoftheultrasonicmethodwereoptimize