铁氧化物/石墨烯复合材料的制备、电磁波吸收与自清洁SERS衬底应用

【摘要】：石墨烯/铁氧化物纳米复合材料在能源和环境领域有着重要的应用。在锂离子电池、超级电容器、光催化剂和电磁波吸收剂等领域已掀起了广泛的研究热潮,并且展现出了良好的应用前景。这些复合材料在发展可持续能源与保护环境中将发挥重要作用。开发简便、经济的合成新工艺与方法以及制备性质优良的石墨烯/铁氧化物复合材料成为当下一个非常热的研究领域。电磁波吸收、基于表面增强拉曼散射效应(surface-enhanced Raman scattering, SERS)的检测和光催化降解有机污染物是环境领域中非常重要的课题,对于减少电磁污染,检测与防治水污染有着重要的意义。本文通过采用高温同步热分解和热还原二价铁盐和氧化石墨烯混合物的方法以及水热法成功制备出了多种成分的铁氧化物/石墨烯复合材料,这些材料在电磁波吸收与水污染的检测与治理中显示了有价值的应用前景,另外,合成工艺对于降低生产成本和增强复合材料的各种性能具有重要的意义。论文的主要研究成果如下：1.采用在不同温度下同步热还原和热分解氧化石墨烯/七水硫酸亚铁混合物成功制备出了α-Fe2O3/石墨烯和Fe3O4/石墨烯复合材料,并发现氧化石墨烯和石墨烯片具有调控α-Fe2O3, γ-Fe2O3与 Fe3O4三种铁氧化物之间相变的作用。通过对样品进行热重分析和傅里叶变换红外光谱分析,发现在540℃～700℃温度区间内,氧化石墨烯表面和边缘上的羟基(-OH)与在还原氧化石墨烯过程中产生的H2在α-Fe2O3向γ-Fe2O3的相变过程中起着非常重要的作用；随着温度的升高,氧化石墨烯在还原过程中产生的还原性气体(如CO、H2与CH4等)与α-Fe2O3和γ-Fe2O3反应,形成Fe3O4。对在不同温度下制备的样品进行电磁波吸收测试发现,每个样品都具有良好的电磁波吸收能力,其中,在700℃下制备的Fe304/石墨烯复合材料在6.72GHz处的反射损耗值达到了-17.1dB。所有样品的吸波性能均比Fe304和石墨烯的机械混合物以及商品化的电磁波吸收剂[Fe, Ni]的吸波性能要优越。另外,电磁波吸收性能还能够通过氧化石墨烯在初始原料中的比例进行调控,而且鉴于Fe304/石墨烯复合材料的高热稳定性,这些材料有望成为高温吸波材料。2.通过两步水热法制备了α-Fe2O3/石墨烯复合材料,并探究了其作为表面增强拉曼散射(SERS)衬底和光催化剂用于检测和降解水中的多种有机污染物的性能。实验表明,该复合材料体系对罗丹明6G的探测浓度可以达到10-6mol/L,对多种有机物如罗丹明6G,亚蓝,甲基橙和双酚A都具有较好的循环降解能力,实现了集SERS检测与光催化降解能力于一身新材料体系。 【关键词】：石墨烯 铁氧化物 电磁波吸收 表面增强拉曼散射 光催化
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第一章 绪论9-38
• 1.1 电磁波污染现状9
• 1.2 电磁波吸收材料的工作原理9-10
• 1.3 电磁波吸收材料的类型10-11
• 1.4 表面增强拉曼散射(SERS)检测的现状11-12
• 1.5 SERS增强机理解释12-16
• 1.5.1 电磁增强机理(Electromagnetic Enhancement,EM)12-15
• 1.5.2 化学增强机理(Chemical Enhancement,CE)15-16
• 1.6 光催化降解有机污染物的现状16
• 1.7 光催化反应机理16-17
• 1.8 氧化石墨烯17-22
• 1.8.1 氧化石墨烯的制备17-18
• 1.8.2 氧化石墨的结构18-20
• 1.8.3 氧化石墨烯与石墨烯20
• 1.8.4 氧化石墨烯的还原20-22
• 1.9 铁氧化物的制备方法与应用22
• 1.10 铁氧化物/石墨烯复合材料的研究进展22-23
• 1.11 论文的研究思路23
• 1.12 论文的研究内容23
• 1.13 选题的目的和意义23-25
• 参考文献25-38
• 第二章 石墨烯/铁氧化物的合成及电磁波吸收性质研究38-71
• 2.1 引言38-39
• 2.2 铁氧化物/rGO的制备39-42
• 2.2.1 主要试剂和仪器39-40
• 2.2.2 样品的合成40-41
• 2.2.3 样品的表征与电磁波吸收测试41-42
• 2.3 结果与讨论42-62
• 2.3.1 样品的XRD与Raman表征42-45
• 2.3.2 样品的SEM和TEM表征45-46
• 2.3.3 样品的FT-R和TG/DTG表征46-51
• 2.3.4 石墨烯促进α-Fe_2O_3向γ-Fe_2O_3转变的机理解释51-52
• 2.3.5 石墨烯促进γ-Fe_2O_3向Fe_3O_4转变的机理解释52-56
• 2.3.6 石墨烯/铁氧化物的微波吸收性能分析56-62
• 2.4 本章小结62-63
• 参考文献63-71
• 第三章 α-Fe_2O_3纳米立方体、石墨烯复合材料的SERS检测和光催化降解性质分析71-91
• 3.1 引言71-72
• 3.2 α-Fe_2O_3纳米立方体/石墨烯复合材料的制备72-74
• 3.2.1 主要试剂和仪器72
• 3.2.2 样品的合成72-73
• 3.2.3 样品的表征73
• 3.2.4 SERS检测和光催化降解测试73-74
• 3.3 结果与讨论74-84
• 3.3.1 样品的XRD和Raman表征74-75
• 3.3.2 SEM表征75-77
• 3.3.3 光催化降解和SERS检测性能的分析77-84
• 3.4 本章小结84-85
• 参考文献85-91
• 第四章 总结与展望91-92
• 4.1 总结91
• 4.2 展望91-92
• 致谢92-93
• 攻读硕士期间发表的论文93

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