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题目:少层二维纳米材料制备与应用

关键词:石墨烯;六方氮化硼;流体动力学;复合材料;电极材料

  摘要


少层二维纳米材料是指层数少于10层的纳米片层,其具有独特而优异的物理化学性能,并在多种领域显示出极大的应用潜力。特别是石墨烯这种二维蜂窝状结构碳材料,表现出极其优异的电学和力学等性能,有助于开发新型的电学器件和高性能复合材料。同时,大量的新型二维有序晶体材料吸引了众多研究者目光,如六方氮化硼和二硫化钼。本论文基于流体力学原理,开发了绿色、可控、快速的二维纳米材料宏量制备方法,同时研究了二维纳米材料在聚合物材料和超级电容器电极材料中的应用,主要研究内容为如下三个方面。

(1)力学方法制备少层二维纳米材料。本文首先采用高速射流法制备石墨烯及氮化硼纳米片,涉及了多种剥离机制,如射流撞击、粘性剪切、射流空化、湍流等,从而实现了高产量和高效率的制备。相对于传统的超声波法和球磨法,该方法具有成本低、环保、高产、高效和高质量等优势。同时,采用高速旋转流体法能够实现小尺寸石墨烯的快速制备,剪切力和碰撞的协同作用可以提高制备效果;此外,该方法还可以通过调节定转子间隙和转速等实现可控,利用小定子匀质头处理,可以获得尺寸均匀且小于1μm、厚度小于2nm的石墨烯纳米片。更重要的是,石墨烯的结构和性能破坏较少,这种可扩展性、快速和高产的方法还可应用于其他二维纳米材料的生产,具有较高的应用价值。通过采用撕胶带的方法成功制备了少层石墨烯,总结了最佳的制备步骤并分析了其制备机理,同时进一步的对褶皱、锥形片层和条带等形成机理进行了研究。

(2)混合溶剂与分散液的低温保存。采用通用且可扩展的混合溶剂策略,将两种溶解性差的溶剂混合形成良溶剂,这实现了六方氮化硼和二硫化钼纳米片层的绿色制备。采用水分别与乙醇、异丙醇和丙酮进行混合,通过超声方法在较短时间内就可以形成高浓度分散液。混合溶剂策略为二维纳米材料的绿色和宏量制备提供了良好的基础。温度控制方法首次被用于提高石墨烯分散液的稳定性。低温下的粘性阻力被证实有助于降低颗粒运动速度,并提高分散液的稳定性,并且超快速冷冻获得的冻粉可以实现石墨烯分散液的长期存储;此外,冷冻絮凝方法提供一种新颖的用于石墨烯和氧化石墨烯与溶剂分离的简单途径。

(3)二维纳米材料的应用。本文对石墨烯和氮化硼纳米片用于增强醋酸纤维素薄膜的力学性能和抗原子氧剥蚀性能进行了研究。结果表明添加较少量的纳米片就能实现复合薄膜力学性能的显著增强。其次,氮化硼纳米片具有很好的化学和热稳定性,以及较高的比表面积,因此能够用于提高聚合物材料的抗原子氧剥蚀性能。同时,二氧化锰(MnO2)是一种理想的超级电容器用电极材料,但较低的电导率影响了其电化学性能;石墨烯具有较高的电导率和大比表面积等特性,本文采用石墨烯片层提高MnO2的电导率,研究结果表明石墨烯的加入提高了复合材料的比电容及循环稳定性等性能。