石墨烯的功能化修饰及其在分子识别、光电转换上的应用研究

论文摘要

石墨烯因其独特的结构、电学、机械等性能,在聚合物复合材料、传感器、太阳能电池、光电功能材料与器件等领域有广阔的应用前景,引起全球物理、化学及材料等科学界的极大兴趣。但由于除了二甲基甲酰胺以外,石墨烯几乎不溶于其它任何溶剂,且在溶液中易聚集成束,这极大地限制了石墨烯在许多领域的应用。因此,对石墨烯进行功能化修饰以改善其分散性,进而拓展石墨烯的基础研究和应用开发具有十分重要的科学价值。本论文通过环糊精、氯化血红素等试剂功能化修饰石墨烯,在石墨烯表面成功地引入特定功能的基团,并系统地探讨了石墨烯材料在生物识别,环境监测以及光电转换领域的应用前景。主要工作如下：1.用羟丙基-p-环糊精（HP-β-CD）,通过亲核取代反应对酰氯化氧化石墨烯进行共价功能化修饰,探讨了修饰后石墨烯的电化学特性及其在生物识别领域的应用。利用FT-IR、拉曼光谱、分散性、TGA分析和HRTEM对产物进行了表征。UV-vis光谱的结果表明环糊精修饰氧化石墨烯（HP-β-CD-GO）可以吸附四苯基卟啉（TPP）,荧光光谱证明了TPP与HP-β-CD-graphene之间存在光诱导电子转移。基于HP-β-CD-GO/TPP在玻碳电极表面四苯基卟啉和血红蛋白（Hb）竞争包合平衡作用,构建了一种灵敏、快速、而简单的用于测定Hb的电化学传感器,显示了良好的电化学特性和分析性能。2.在微波辅助加热条件下,用HP-β-CD共价修饰石墨烯,研究了在不同时间、温度下的反应提高修饰接枝率的最佳条件,所得到的石墨烯材料可实现对酚类化合物高灵敏度的痕量检测。IR、TG、Raman、TEM、AFM和XPS等的测试结果表明RGO边缘部分修饰上了环糊精分子,修饰后的RGO在水等常见溶剂中的分散性大大提高,有利于其操作处理过程。循环伏安测试结果表明HP-β-CD-RGO修饰电极对六种常见的有机酚类小分子有良好的检测作用,对邻硝基苯酚的检测限达到了1×10-8M。3.在微波辅助加热条件下,用氯化血红素（Hemin）共价修饰RGO,初步探索了其光电性能。通过IR、TG、Raman、UV-vis、荧光光谱、TEM和AFM来表征产物,测试结果表明用乙二胺功能化的氧化石墨烯上的胺基能与Hemin反应,从而在RGO上接枝上Hemin。同时,用交流阻抗以及循环伏安对Hemin-RGO的导电能力进行了测试,并将Hemin-RGO薄膜制成了简易的染料敏化太阳能电池的对电极,用来代替贵金属铂,该电池具有良好的光电转换效率,Hemin-RGO作为对电极材料有可能取代贵金属Pt。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 石墨烯的制备
• 1.2.1 氧化石墨烯还原法
• 1.2.2 微机械剥离法
• 1.2.3 外延生长法
• 1.2.4 化学气相沉积法
• 1.3 石墨烯的功能化修饰
• 1.3.1 共价功能化修饰
• 1.3.1.1 氧化石墨烯的还原
• 1.3.1.2 直接共价修饰石墨烯
• 1.3.2 非共价功能化修饰
• 1.3.2.1 石墨烯的Π键功能化
• 1.3.2.2 石墨烯的离子键功能化
• 1.3.2.3 石墨烯的氢键功能化
• 1.4 功能化石墨烯的相关应用
• 1.4.1 聚合物复合材料
• 1.4.2 传感器
• 1.4.3 太阳能电池
• 1.4.4 光电功能材料与器件
• 1.5 本论文的研究思路、目的及意义
• 参考文献
• 第二章 B-环糊精修饰石墨烯的合成及其在光电诱导、生物识别上的应用研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要原料和试剂
• 2.2.2 主要制备及分析表征仪器
• 2.2.3 羟丙基-β-环糊精修饰石墨烯（HP-β-CD-GO）的合成
• 2.2.3.1 合成路线
• 2.2.3.2 合成方法
• 2.3 试验列表与产物表征结果分析
• 2.3.1 FT-IR光谱表征及分析
• 2.3.2 TG表征及分析
• 2.3.3 Raman光谱表征及分析
• 2.3.4 功能化修饰后GO的分散性测试
• 2.3.5 TEM表征及分析
• 2.3.6 UV-vis-NIR表征及分析
• 2.3.7 荧光光谱表征及分析
• 2.3.8 循环伏安表征及分析
• 2.4 小结
• 第三章 微波辅助羟丙基-B-环糊精共价修饰石墨烯及其对有机污染物的检测
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要原料和试剂
• 3.2.2 主要制备及分析表征仪器
• 3.2.3 石墨烯与羟丙基-β-环糊精的反应
• 3.2.3.1 合成路线
• 3.2.3.2 合成方法
• 3.3 产物表征与分析
• 3.3.1 实验条件列表
• 3.3.2 FT-IR光谱表征及分析
• 3.3.3 Raman表征及分析
• 3.3.4 TGA表征及分析
• 3.3.4.1 石墨烯与HP-β-CD反应的TGA表征及分析
• 3.3.4.2 石墨烯与HP-β-CD在不同反应时间下的TGA表征及分析
• 3.3.4.3 石墨烯与HP-β-CD在不同反应温度下的TGA表征及分析
• 3.3.5 产物的分散性图片
• 3.3.6 产物的亲水性能表征及分析
• 3.3.7 XPS表征及分析
• 3.3.8 TEM表征及分析
• 3.3.9 AFM表征及分析
• 3.3.10 EIS表征及分析
• 3.3.10.1 循环伏安表征及分析
• 3.3.10.2 HP-β-CD-RGO修饰电极不同扫描速率的循环伏安曲线
• 3.3.10.3 HP-β-CD-RGO修饰电极对邻硝基苯酚的检测
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 氯化血红素功能化石墨烯及其在光电转化方面的应用研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要原料和试剂
• 4.2.2 主要制备及分析表征仪器
• 4.2.3 石墨烯与氯化血红素的反应
• 4.2.3.1 合成路线
• 4.2.3.2 合成方法
• 4.3 产物表征及结果分析
• 4.3.1 FT-IR光谱表征及分析
• 4.3.2 Raman光谱表征及分析
• 4.3.3 TG图谱表征及分析
• 4.3.3.1 UV-vis-NIR图谱表征及分析
• 4.3.3.2 不同浓度的Hemin-RGO Uv-vis图谱表征及分析
• 4.3.4 荧光图谱表征及分析
• 4.3.5 分散性图片
• 4.3.6 TEM表征及分析
• 4.3.7 AFM图谱表征及分析
• 4.4 功能化碳纳米管在光电转化反面的应用研究
• 4.4.1 EIS表征与分析
• 4.4.2 循环伏安表征与分析
• 4.4.3 太阳能电池的制作
• 4.4.4 光电流的测试
• 4.5 小结
• 总结
• 硕士阶段发表的论文
• 致谢