【摘要】：以一維納米纖維、納米棒、納米管等幾何形貌為代表的低維納米結(jié)構(gòu)體系蘊含豐富多彩的化學(xué)、物理現(xiàn)象,一直是材料領(lǐng)域的研究前沿和熱點。由于單一材料已然無法突破性能上的限制,對它們進行有效集成、組裝是實現(xiàn)性能突破的有效途徑。本文圍繞石墨烯、Ti02納米線的有序組裝和可控合成,獲得一類新穎的二維還原氧化石墨烯(RGO)／鈦酸納米線網(wǎng)狀濾膜,在連續(xù)流反應(yīng)中,對水中污染物吸附性能優(yōu)良。本文還可控制備了新型一維RGO/TiO2納米線,創(chuàng)新性地開展了對單根納米線的電學(xué)性能的探索性研究。主要內(nèi)容包括如下：(1)采用超聲破碎法對改性Hummer法制備的氧化石墨烯(GO)大小進行精細調(diào)控,GO大小由2.3 μm逐漸降低0.5 μm以下。隨著超聲破碎增加至32min, GO發(fā)生還原反應(yīng)導(dǎo)致生成RGO。因此,本文將超聲破碎的時間優(yōu)化為16 min,此時GO大小小于0.5 gm,并保持氧化狀態(tài),便于后續(xù)開展與Ti02的組裝工作。(2)以P25為前驅(qū)物,采用水熱法可控合成鈦酸納米線,其生長機理為：i)在水熱反應(yīng),Ti02顆粒首先發(fā)生熟化,即較小粒徑的顆粒逐漸溶解,較大粒徑的顆粒逐漸長大,同時NaOH溶液中的OH-和H20進入Ti02晶粒并與晶格中的鈦原子或氧原子反應(yīng),生成鈦羥基,導(dǎo)致Ti02顆粒酥松多孔,逐漸形成多孔大直徑球狀物。ii)隨著反應(yīng)的進行,由于Na+離子的插層作用,生成鈦酸鈉,在球狀顆粒表面形成鈦酸鈉納米帶,片層不斷往外延伸生長,最終導(dǎo)致球體瓦解,剩下鈦酸鈉納米帶。iii)在劈裂機理作用下,鈦酸鈉片層發(fā)生割裂,形成有序的納米線束形態(tài),超聲分散后,線束中納米線分離,最終形成納米線。此外,通過精細調(diào)控水熱反應(yīng)的堿種類、水熱時間以及酸洗條件,獲得了四種不同形貌的鈦酸納米材料：多孔納米球、納米帶、納米線、納米管。將大小不同的石墨烯,按照不同配比與鈦酸鈉納米線進行復(fù)合,復(fù)合生成“海膽狀”、“交織膜狀”、鈦酸納米管與氧化石墨烯有序交織狀的復(fù)合物。(3)將鈦酸納米線與GO進行可控組裝,獲得二維(RGO)／鈦酸納米線網(wǎng)狀濾膜。其組裝機理為：i)在以范德華力為主的非共價鍵作用下,GO進攻鈦酸納米線；ii) GO片自發(fā)卷曲,包覆在一根或相鄰的多根鈦酸納米線表面；iii)加入水合肼后,GO被還原為RGO,為減少的表面自由能,不同納米線上的RGO相互吸引；在節(jié)點處的RGO吸引更多在溶液中游離的RGO至表面,使得交聯(lián)點的RGO增厚,交聯(lián)更加穩(wěn)固。最終,形成二維RGO／鈦酸納米線網(wǎng)狀膜。(4)設(shè)計了一套新穎的微濾成膜裝置,由注射器、微量進樣器、濾頭組成。通過精細調(diào)控成膜過程的流速、體積、壓力、時間等變量,使鈦酸納米線和RGO快速、均勻組裝成膜。利用此裝置制備的二維RGO/鈦酸納米線網(wǎng)狀濾膜表面平滑、顏色均勻,且可自我支撐,在多次彎曲后,仍保持濾膜結(jié)構(gòu)完整。選用羅丹明B的水溶液作為模型,RGO/鈦酸納米線濾膜,脫色率高達98%以上,可高效去除水溶液中的有機污染物。其中,鈦酸納米線作為骨架支撐石墨烯并有效避免其團聚,石墨烯裸露豐富的吸附活性位,發(fā)揮高效的吸附作用。該濾膜在吸附飽和后,采用次氯酸水溶液去除被吸附的有機物,可獲得再生。(5)采用靜電紡絲法制備RGO/TiO2納米線,在透射電子顯微鏡(TEM)腔室中搭建單根RGO/TiO2納米線電學(xué)測試平臺,采用原位電學(xué)表征技術(shù),成功測量到單根纖維的整流曲線。通過多次通電,觀察到納米線微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。這對于后期的研究中,一維纖維的電學(xué)性能的數(shù)據(jù)分析有著重要的意義。
[Abstract]:The low-dimensional structure system represented by the geometrical morphology of one-dimensional nano-fiber, nano-rod, nanotube and the like contains rich and colorful chemical and physical phenomena, and has been a leading edge and a hot spot in the field of materials. The effective integration and assembly of single material is an effective way to achieve the breakthrough of performance. In this paper, a new type of two-dimensional redox graphene (RGO)/ nano-wire mesh filter is obtained by the ordered assembly and controlled synthesis of the graphene and Ti02 nanowires, and the adsorption performance of the pollutants in the water is excellent in the continuous flow reaction. In this paper, a new one-dimensional RGO/ TiO2 nanowire is also controlled, and an exploratory study on the electrical properties of a single nanowire has been developed. The main contents are as follows: (1) The size of the oxidized graphene (GO) prepared by the modified Hummer method is finely controlled by adopting the ultrasonic crushing method, and the size of the GO is gradually reduced by less than 0.5. m As the ultrasonic crushing increased to 32 min, the reduction reaction of GO resulted in the formation of RGO. Therefore, the time of ultrasonic crushing is optimized to be 16 min. At this time, the size of GO is less than 0.5gm, and the oxidation state is kept, so that the assembly work with Ti02 can be carried out. (2) adopting a hydrothermal method to controllably synthesize the titanate nanowire with the P25 as a precursor, the growth mechanism of which is: i) in the hydrothermal reaction, the Ti02 particles are first cured, that is, the particles of the smaller particle size are gradually dissolved, and the particles of the larger particle size gradually grow, And the OH-and H20 in the NaOH solution enter the Ti02 crystal grain and react with the titanium atom or the oxygen atom in the crystal lattice to generate the titanium hydroxyl group, so that the Ti02 particles are loose and porous, and the porous large-diameter ball is gradually formed. Ii) as the reaction proceeds, the sodium titanate is formed due to the intercalation action of the Na + ions, the sodium titanate nano-band is formed on the surface of the spherical particles, the sheet layer continuously extends out and grows, and finally the sphere is broken, and the sodium titanate nano-band is left. And iii) under the action of the splitting mechanism, the sodium titanate layer is separated to form an ordered nanowire bundle form, and after the ultrasonic dispersion, the nanowires in the wire harness are separated, and finally the nano-wire is formed. In addition, four kinds of nano-materials with different shapes are obtained by finely adjusting the alkali kind, the hydrothermal time and the acid-washing condition of the hydrothermal reaction, and the porous nano-spheres, the nanoribbons, the nanowires and the nanotubes are obtained. The graphene which is different in size is compounded with the sodium titanate nano wire according to different proportions to generate a composite of the "sea urchin", the "interweave film", the titanate nano tube and the graphene oxide ordered interweave. And (3) carrying out controllable assembly of the titanate nano wire and the GO to obtain a two-dimensional (RGO)/ titanate nanowire mesh filter membrane. The assembly mechanism of the GO is as follows: i) the GO attacks the titanate nanowire under the non-covalent interaction with the Van der Waals force; ii) the GO sheet is spontaneously rolled and coated on one or adjacent multiple titanate nano wire surfaces; and iii) after the water is added, the GO is reduced to RGO, so that the reduced surface free energy can be reduced, The RGO on different nanowires is attracted to each other; the RGO at the node attracts more free RGO to the surface in the solution, so that the RGO of the cross-linking point is thickened and the cross-linking is more stable. And finally, a two-dimensional RGO/ titanate nanowire mesh film is formed. And (4) a novel microfiltration membrane-forming device is designed, which consists of a syringe, a micro sample injector and a filter head. Through the fine regulation of the flow rate, volume, pressure, time and other variables of the film-forming process, the titanate nano-wire and the RGO are quickly and uniformly assembled into a film. The two-dimensional RGO/ titanate nano-wire mesh filter membrane prepared by the device is smooth in surface, uniform in color and self-supporting, and the membrane structure is still intact after multiple times of bending. The aqueous solution of rhodamine B is used as a model, the RGO/ titanate nano-wire filter membrane and the decoloring rate are as high as 98%, and the organic pollutants in the aqueous solution can be effectively removed. In which, the titanate nanowire is used as a framework for supporting the graphene and effectively avoids the agglomeration of the graphene, and the graphene has rich adsorption activity bits and has an efficient adsorption effect. After the filter membrane is saturated, the adsorbed organic matter is removed by using an aqueous solution of hypochlorous acid and can be regenerated. (5) RGO/ TiO2 nanowires were prepared by electrostatic spinning, and a single RGO/ TiO2 nanowire electrical test platform was set up in a transmission electron microscope (TEM) chamber, and the rectification curve of a single fiber was successfully measured by in-situ electrical characterization technology. The change of the micro-structure of the nano-wire was observed by multiple times of power-on. This is of great significance for the data analysis of the electrical properties of one-dimensional fiber in the later study.
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.1

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本文編號：2508855