發(fā)布時間：2020-04-27 08:21

【摘要】：隨著納米材料和納米技術(shù)的迅速發(fā)展,越來越多的高性能多功能性的納米材料被合成出來,并被應(yīng)用于各個領(lǐng)域中。然而,單一結(jié)構(gòu)的納米材料由于功能單一并不能滿足實際需求。在很多情況下,需要將其組裝成多級次多尺度的組裝體材料,才能進(jìn)一步推廣其在工業(yè)領(lǐng)域中的實際應(yīng)用�？v觀該領(lǐng)域,三維組裝體材料在很多領(lǐng)域都表現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值。目前,國內(nèi)外研究人員雖然在構(gòu)筑三維組裝體材料和應(yīng)用方面取得了一些重要進(jìn)展,但是對于組裝體結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控方面、環(huán)保方面、可控方面和便捷方面等,還處于探索階段,推廣到工業(yè)應(yīng)用上還存在許多技術(shù)難題和科學(xué)問題。為了解決這一難題,急需發(fā)展一種簡單、高效、快捷、可控和環(huán)保的三維組裝方法。近些年,取向冷凍法具有簡單性、高效性、普適性、環(huán)保性和適應(yīng)面廣等諸多優(yōu)勢,被廣泛地進(jìn)行探究。本課題擬在此基礎(chǔ)上,通過取向冷凍法構(gòu)筑成新型的有序結(jié)構(gòu)三維組裝體材料,并調(diào)整冷凍參數(shù)以及灌注聚合物彈性體,使其機(jī)械性能和導(dǎo)電性能得到顯著提高,以滿足更多領(lǐng)域的實際應(yīng)用需求。以下是主要研究結(jié)果:(1)通過單取向冷凍法將銀納米線構(gòu)筑成三維有序結(jié)構(gòu)銀納米線氣凝膠,通過調(diào)節(jié)銀線含量以及冷凍溫度,獲得了不同孔徑和導(dǎo)電率的氣凝膠組裝體材料。通過調(diào)節(jié)冷凍參數(shù),能夠?qū)饽z組裝體材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。同時,該氣凝膠組裝體材料顯示出優(yōu)異的導(dǎo)電性能�；诖�,我們在氣凝膠組裝體材料里灌注溫敏性的聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠彈性體,并最終獲得了可拉伸彈性導(dǎo)體材料。該彈性導(dǎo)體材料顯示出高穩(wěn)定的導(dǎo)電性,在應(yīng)變70%下,電阻變化210%,循環(huán)拉伸500圈后,電阻變化僅520%。此外,該彈性導(dǎo)體材料還具有溫度響應(yīng)性,當(dāng)外界溫度變化時,其導(dǎo)電率會發(fā)生顯著的變化。究其原因,當(dāng)溫度升高時,該彈性導(dǎo)體材料會收縮,電子在單位面積上傳播的路程更短,因而導(dǎo)電率會顯著增加,并有望應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域。值得一提的是,該彈性導(dǎo)體材料在激光照射下,由于銀-硫鍵的存在,在1分鐘時間內(nèi)發(fā)生了自愈合,愈合效率達(dá)到了93%。同時,愈合后的彈性導(dǎo)體材料,仍然具有優(yōu)異的機(jī)械性能和導(dǎo)電性能,為生物醫(yī)學(xué)和工程領(lǐng)域提供了潛在的應(yīng)用價值。(2)通過單取向冷凍法將殼聚糖和石墨烯構(gòu)筑成三維有序結(jié)構(gòu)殼聚糖-石墨烯的氣凝膠,然后經(jīng)過高溫煅燒過程,得到三維有序結(jié)構(gòu)碳-石墨烯超彈性材料,進(jìn)一步通過水熱法在其表面垂直生長二硫化鉬,最終獲得碳-石墨烯-二硫化鑰超彈性組裝體材料。研究結(jié)果表明,碳-石墨烯超彈性材料是由脆性碳組成,通過壓縮循環(huán)測試,顯示出該組裝體材料具有優(yōu)異的回彈性能和可壓縮性能。當(dāng)負(fù)載二硫化鉬時,通過壓縮性能測試,顯示碳-石墨烯-二硫化鉬組裝材料仍具有卓越的回彈性能和可壓縮性能。將該組裝體材料作為鈉離子電池電極材料使用時,顯示出高可逆容量、良好的倍率性能和長循環(huán)穩(wěn)定性能。在電流密度100 mA/g循環(huán)200圈后,可逆容量為467.3 mAh/g,能夠保持最初可逆容量的56.1%。在電流密度1安/克循環(huán)200圈后,可逆容量仍為439 mAh/g。同時,在倍率性能測試中,該超彈性組裝體材料顯示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能。這些優(yōu)異性能的獲得主要歸功于彈性體表面存在大量活性位點。二硫化鉬納米片活性物質(zhì)能夠緩慢滲透到電解液中,并減小鈉離子的擴(kuò)散距離。此外,碳-氧-鉬形成的化學(xué)鍵能夠促進(jìn)從碳到二硫化鉬之間的電子傳播,從而提高組裝體材料的可逆容量和循環(huán)穩(wěn)定性能。(3)通過單取向冷凍法將石墨烯和銀納米線構(gòu)筑成三維有序結(jié)構(gòu)石墨烯-銀納米線氣凝膠,該氣凝膠組裝體材料顯示出優(yōu)異的壓縮性能和導(dǎo)電性能�；诖�,我們在石墨烯和銀納米線氣凝膠里灌注溫敏性的聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠彈性體,并最終獲得了更加優(yōu)異的可拉伸彈性導(dǎo)體材料。該彈性導(dǎo)體材料具有穩(wěn)定的導(dǎo)電性,在應(yīng)變1200%循環(huán)拉伸500圈后,電阻變化為38.4Ω。在彎曲循環(huán)1000圈(彎曲半徑1毫米)后電阻變化僅為0.1Ω。此外,該彈性導(dǎo)體材料還具有溫度響應(yīng)性,當(dāng)外界溫度變化時,其導(dǎo)電率會發(fā)生顯著的變化。值得一提的是,該彈性導(dǎo)體材料在激光照射下,同樣由于銀-硫鍵的存在,在1分鐘時間內(nèi)發(fā)生了自愈合,愈合效率達(dá)到了 92.5%。同時,愈合后的彈性導(dǎo)體材料,仍然具有良好的機(jī)械性能和導(dǎo)電性能,在應(yīng)變1000%循環(huán)拉伸500圈后,電阻變化為96.1Ω,有望應(yīng)用于生物工程領(lǐng)域。
【圖文】：

三維納米組裝體在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用有很多，包括日常生活中污水處理、海逡逑水中油水分離、航空中防火阻燃以及空氣中大量有毒氣體的檢測。其中，清華大逡逑學(xué)李亞棟教授課題組成功制備出三維有序二氧化錳納米線氣凝膠，從圖１．３ａ可逡逑以看到，在紫外照射２０分鐘后，甲基紫溶液有紫色變?yōu)闊o色，顯示出該材料具逡逑有快速吸附的能力。宄其原因，發(fā)現(xiàn)該材料具有多孔結(jié)構(gòu)以及表面含有大量負(fù)電逡逑３逡逑

因此，對重金屬離子和有機(jī)染料具有很強的吸附能力［１３］。英國布里斯托爾逡逑大學(xué)的Ｓｔｅｐｈｅｎ邋Ｍａｎｎ教授課題組采用殼聚糖（ＣＳ）作為支架，以Ｔｉ０２為填充顆粒，逡逑成功制備出具有復(fù)合多孔骨架材料，從圖１．３ｂ可以看到，該材料對有機(jī)染料和逡逑甲基藍(lán)均有顯著的光降解功能［１４］。新加坡南洋理工大學(xué)陳虹宇教授課題組采用逡逑玻璃纖維作為基體，在其上原位合成出了金納米線，從圖１．３ｃ可以看到，在紫逡逑外光照射下，黃色４－硝基酚還原為無色的４－氨基酚，，說明該材料對有毒化學(xué)試逡逑劑顯示出優(yōu)異的催化還原效果［１５］。本人所在課題組通過精準(zhǔn)調(diào)控結(jié)構(gòu)，在海綿逡逑表面成功焊接了邋Ａｇ／ＡｇＣｌ納米涂層，從圖１．３ｄ可以看到，在紫外光照射下，該逡逑材料對有機(jī)染料具有催化還原功能［１６］。美國斯坦福大學(xué)華人科學(xué)家崔屹教授課逡逑題組采用海綿作為基體，在其表面均勻負(fù)載碳納米管和銀納米線，成功設(shè)計了三逡逑維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從圖１．３ｅ可以看到，當(dāng)外界電壓上升到１０Ｖ，四種細(xì)菌被完逡逑全殺死，顯示出該種材料能夠快速消除水體中的細(xì)菌［１７］。逡逑＾３邋邋ｒ－—；—邋－：：：－＇－邋■：：邐１邋邐？；■邋ｒ邋ｂ邋４ｔ邋＜■邐２逡逑ｉ邐？雄嫌邐ａ邋Ｉ邐ｂ邋：邐ｊ邋十邋ｗｊ－代邐（ｊｉ）邐１邐ｊ／＾＼逡逑．ｍｍｍ？邋ｊ邋＊＇丨邐…／逡逑步彳；；Ｈ逡逑邐邐邋．邐）姿…．心…Ｓ邋．ｆｔ．？��？？令邐邐邐邐邐＇邐０邋ＳＳＴ＂邐邐？邐邐邐；逡逑＊￡邐＊邐
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1

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本文編號：2642062