GO/Ti基复合材料界面性质的第一性原理研究

目的 研究氧化石墨烯在继承石墨烯优异性能的同时,是否会因为官能团的存在而影响复合材料界面的结合方式,抑制脆性相TiC的产生,解决石墨烯作为增强体时易发生界面反应从而影响材料塑韧性的问题。方法 根据(0001)Ti∥(0001)GO、 ∥ 界面位向关系,建立了Ti/氧化石墨烯/Ti共格界面模型。采用第一性原理计算方法从电子原子尺度研究了环氧基和羟基对Ti/氧化石墨烯/Ti界面黏附功、界面能、原子结构和电子结构的影响。结果 环氧基和羟基都会使界面黏附功变大,界面能减小,形成结合更强、更稳定的界面,其中环氧基的贡献更大。官能团附近的Ti原子与氧化石墨烯中C原子的结合能力减弱。在形成界面时,氧化石墨烯被还原,环氧基和羟基中的O原子与Ti基体会发生反应生成固溶体,羟基中的H原子可能保持与O原子之间的相互作用,也可能会脱离O原子的束缚与Ti基体有相互作用。结论 当氧化石墨烯和Ti基体形成界面时,氧化石墨烯的官能团会固溶在Ti基体中,抑制界面产物脆性相TiC的产生,石墨烯的片层结构更容易被保留,形成界面结合更好的复合材料。     

石墨烯/酚醛树脂/炭纤维层次复合材料的制备及其性能

分别以氧化石墨粉(GO)、还原氧化石墨烯乙醇悬浮液(RGO)和热法还原石墨烯粉(TRG)为填料,分散于酚醛树脂(PR)的乙醇溶液中,再将这些基体混合物涂覆于炭纤维(CF)布上,经热压成型工艺制备氧化石墨烯/酚醛树脂/炭纤维、还原氧化石墨烯乙醇悬浮液/酚醛树脂/炭纤维、热法还原氧化石墨烯/酚醛树脂/炭纤维层次复合材料。研究了GO、RGO和TRG对复合材料结构、压缩性能、弯曲性能及磨擦性能的影响。结果表明,与纯酚醛树脂/炭纤维复合材料相比,当纳米填料的质量分数仅为0.1%时,层次复合材料的压缩性能可显著提高,其中,热法还原氧化石墨烯/酚醛树脂/炭纤维的压缩强度和模量分别提高了178.9%,129.5%;弯曲性能也可得到一定的改善。还原氧化石墨烯乙醇悬浮液/酚醛树脂/炭纤维层次复合材料的最大储能模量可提高75.2%。所有改性石墨烯/酚醛树脂/炭纤维层次复合材料的Tg均有所降低。     

石墨烯及Ag/石墨烯纳米复合材料的原位合成

选择改进的H ummer方法制备氧化石墨烯;采用硼氢化钠和柠檬酸钠相结合的方法还原氧化石墨制备石墨烯及Ag/石墨烯纳米复合材料,采用拉曼光谱、TEM、SEM、UV-Vis、XRD、FTIR等多种测试手段对其表征,发现硼氢化钠可以还原氧化石墨烯中的边缘缺陷,柠檬酸钠可以剥离氧化石墨烯片层并使银纳米颗粒附着在石墨烯片层上,石墨烯层数较少且随着反应时间的延长,银纳米颗粒的尺寸也会逐渐增大.     

GO/CS的结构、性能及其在水处理中的应用研究进展

随着现代工业的快速发展,因危险化学品泄漏和溢出造成的水污染已引起全球关注.含重金属、合成染料、芳香族有机物的废水将造成严重的环境、健康和安全问题.吸附法是最经济、快速、有效的水处理方法之一.传统吸附材料(如活性炭、高岭土、聚吡咯等)对某种类型的污染物表现出高去除能力,但对其他类型污染物的去除效率较低,且存在吸附量小、物理力学性能差、可回收性差等缺点,使吸附技术面临巨大的难题和挑战.近年来,石墨烯的研究热潮推动了吸附材料的高速发展,石墨烯优越的性能使氧化石墨烯/壳聚糖(GO/CS)成为备受关注的研究热点之一.比表面积大、活性位点多的GO/CS在吸附性能方面展现出了巨大的潜力.与传统吸附材料不同的是,GO/CS物理力学性能和化学稳定性更高,并可通过结构设计(如石墨烯氧化程度的调整、氧化石墨烯和壳聚糖的改性、交联等)来改善其吸附效果.石墨烯氧化程度的增加有助于提升氧化石墨烯与壳聚糖的相容性和其与被吸附物的静电作用、氢键作用,还原程度的增加则有利于提升π-π相互作用;氧化石墨烯、壳聚糖的改性可改变复合材料表面的电荷性质,有利于吸附性能的提升;交联则有利于提升氧化石墨烯与壳聚糖的相容性,并在一定程度上增强与目标分子或离子的相互作用.GO/CS的结构决定其稳定性,还原程度的增加和交联有助于降低GO/CS的溶胀性并提升其物理力学性能.本文简要介绍了GO/CS的制备方法,探讨了结构控制与GO/CS吸附性能的关系,详细介绍了氧化石墨烯氧化程度的调整、氧化石墨烯和壳聚糖的改性、交联对吸附性能的影响,并对GO/CS的溶胀性和物理力学性能进行了分析,展望了其在水处理领域面临的机遇与挑战.     

氧化石墨烯/聚乙烯醇复合材料的纳米压痕实验及力学性能

为了研究氧化石墨烯(GO)对聚合物基复合材料力学性能的影响,通过溶液混合法制备了GO/聚乙烯醇(PVA)复合材料。然后,采用XRD、TEM、FTIR、DSC和纳米压痕实验等研究了GO/PVA复合材料的结构、界面结合性能、力学性能、蠕变行为和吸水膨胀率。结果表明:GO可以均匀分散在PVA基体中,二者之间主要通过氢键作用结合,具有较高的界面结合力;与纯PVA相比,1wt% GO/PVA复合材料的硬度和有效弹性模量分别提高了28.9%和23.3%,压入蠕变深度下降了19.8%;GO/PVA复合材料具有较低的无限剪切模量与瞬时剪切模量比,表明GO提高了PVA的蠕变抗力;GO的添加同时增加了GO/PVA复合材料的阻水性并降低了膨胀系数。吸湿纳米压痕实验结果表明:纯PVA的力学性能会随吸湿时间延长而下降,而GO/PVA复合材料吸湿72h后的力学性能基本保持不变。所得结论为石墨烯增强聚合物基复合材料的研究提供了理论指导。      

氧化石墨烯及其聚合物复合材料制备的研究进展

石墨烯是一种具有单层蜂窝状二维网格结构的新型材料,具有优异的力学、化学性能。氧化石墨烯(GO)作为氧化-还原法制备石墨烯的中间体,具有较高的比表面积以及石墨烯所不具备的丰富官能团。鉴于官能团的存在,GO具有优良的化学修饰性能,以此可制备性能更高的或具备新性能的GO/聚合物复合材料。文中综述了氧化石墨烯的结构、性能及制备方法,主要介绍了制备GO的Hummers法,比较了GO/聚合物复合材料的不同制备方法,列举了复合材料的性能特点,最后对GO复合材料制备方法的发展和GO/聚合物复合材料的应用前景进行了展望。     

改性石墨烯/聚苯胺的制备及其环氧涂层的防腐蚀性能

为了改善环氧树脂防腐蚀涂料存在的孔洞缺陷,以改性石墨烯/聚苯胺复合材料作填料来提高环氧涂料的防腐蚀性能。首先采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯(GO),再利用对苯二胺还原GO得到改性石墨烯(PGO),进一步制备出改性石墨烯/聚苯胺(PGO/PANI)复合材料。通过拉曼光谱仪、场发射扫描电镜等研究了PGO/PANI的结构和微观形貌,利用盐雾试验、Tafel曲线和电化学阻抗谱研究了 PGO/PANI的防腐蚀性能。结果表明:PGO/PANI涂层的腐蚀等级由空白环氧涂层的10级提高到5级;PGO与PANI有良好的协同作用,PGO与苯胺单体质量比为0.10时,所制备的PGO/PANI复合涂层的防腐蚀效果较好,腐蚀电压为-194.59mV (vs SCE)、腐蚀电流密度为2.12×10^-9A/cm^2.     

氧化石墨烯复合材料研究进展

氧化石墨烯(GO)是一种石墨烯衍生物,具有独特的二维纳米片层结构,表面含有大量羟基、环氧基、羧基和羰基等含氧官基团,加之具有超大的比表面积、良好的亲水性和生物相容性等特性,使其作为纳米组分更易与聚合物、无机物及小分子等物质作用制备复合材料。综述了近年来GO复合材料在吸附材料、分离材料、电极材料、传感器材料、界面改性、光电热材料、高性能材料及催化等领域的研究,并从可持续发展的角度对要拓宽和实现GO复合材料的大规模工业化应用存在的问题进行了总结及展望。     

氧化石墨烯在生物医学领域的应用

氧化石墨烯(GO)是石墨烯的衍生物,具有较高的比表面积和丰富的官能团:底面含羟基和环氧基,边缘含羧基。这些官能团赋予了氧化石墨烯良好的亲水性、分散性和生物相容性,易于修饰和功能化,加之其优良的光学性质,使得氧化石墨烯在生物医学领域具有广阔的应用前景。着重介绍了氧化石墨烯在生物传感器、生物成像、药物/基因传送、光热/光动力治疗、抗菌材料、生物安全性方面的研究现状和进展。     

石墨烯表面性质对水泥砂浆复合材料力学性能和微观结构的影响

近年来,利用石墨烯及其衍生物改善水泥基复合材料性能受到了广泛关注。但是,关于石墨烯表面性质对水泥基材料的性能影响却鲜有报道。为此,采用不同浓度的L-抗坏血酸(10wt%、20wt%、30wt%、50wt%和70wt%)和还原时间(15 min、30 min、45 min和60 min)将氧化石墨烯(GO)转化为还原氧化石墨烯(rGO),然后以相同剂量(水泥质量的0.05%)加入到水泥砂浆复合材料中,研究了不同还原程度的rGO对水泥砂浆力学性能的影响。测试结果表明,通过50wt%L-抗坏血酸还原30 min制备的rGO的加入使水泥砂浆28天抗压强度和抗折强度相比于普通试样分别提高了36.84%和43.24%。SEM等分析表明,GO和不同还原程度的rGO均可促进Ca(OH)₂的结晶和水化硅酸钙凝胶(C-S-H)中二氧化硅四面体的形成,形成致密的微观结构。但存在一个最佳阈值(即通过50wt%的L-抗坏血酸还原30 min),在该阈值下,有利于rGO表面官能团与水化产物的结合。      

以氧化石墨烯为氧化介质制备石墨烯/聚苯胺导电复合材料

采用超声辅助Hummers法制得厚度约为1 nm的氧化石墨烯, 以其为氧化介质与苯胺反应合成了石墨烯/聚苯胺(RGO/PANI)导电复合材料。利用AFM、SEM、XRD和FTIR对反应所得产物进行了表征。结果表明: 苯胺在略高于室温的酸性水溶液中可以对氧化石墨烯(GO)进行还原, 而苯胺自身则被氧化石墨烯中大量的含氧基团氧化并发生聚合反应, 最终生成RGO/PANI导电复合材料, 当苯胺用量为1 mL, 氧化石墨烯用量为0.1 g, 在水浴温度为70 ℃下剧烈搅拌24 h时, 获得的RGO/PANI复合材料导电性最佳, 约为10 S/cm。     

ZnS/还原氧化石墨烯复合材料的制备及光催化性能

水热法一步合成ZnS/还原氧化石墨烯（ZnS/RGO）复合材料,通过XRD、FTIR、Raman、SEM分析溶剂（乙醇、水）对ZnS/RGO复合材料形貌和结构的影响。结果表明,以乙醇为溶剂制备的ZnS颗粒尺寸小、均匀分散在石墨烯片层上,在形成ZnS纳米颗粒的同时将氧化石墨烯（GO）还原成石墨烯。对亚甲基蓝（MB）的光催化结果显示,ZnS/RGO复合材料具有优异的光催化性能,其光催化速率是纯ZnS颗粒的3.7倍,石墨烯作为优良光生电子的传输通道和收集体能够降低光生电子-空穴对的重新结合率,极大提高了ZnS/RGO复合材料的光催化性能。      

石墨烯/氰酸酯-环氧树脂复合材料的制备和性能

为优化石墨烯/氰酸酯(CE)复合材料的制备工艺并提高其韧性,制备了对苯二胺(PPD)功能化的氧化石墨烯(GO-PPD),分别以GO和GO-PPD为添加物,以CE和环氧树脂(质量比为7:3)共混物为基体树脂制备了GO/CE-环氧树脂和GO-PPD/CE-环氧树脂复合材料。采用红外和拉曼光谱表征GO和GO-PPD的结构,并研究了二者在溶剂中的溶解性。GO-PPD在乙醇等低沸点和低毒性的有机溶剂中表现出稳定的溶解性,与GO相比,GO-PPD明显改善了复合材料制备的工艺性。性能研究表明,GO和GO-PPD的加入均会降低基体树脂的固化温度,明显提高其力学性能和热性能,使基体树脂的介电常数和介电损耗显著增大,但仍然基本保持良好的耐湿热性和耐腐蚀性。石墨烯表面的化学性质影响石墨烯/CE-环氧树脂复合材料的综合性能,与GO相比,GO-PPD的加入能更明显提高复合材料的力学性能和耐热性。     

介孔RGO/TiO2复合光催化材料的制备及光催化性能

采用溶胶-凝胶法, 以氧化石墨烯(GO)、钛酸四丁酯(TBT)为原料, 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为结构引导剂, 柠檬酸为水解抑制剂和表面活性剂原位合成不同GO含量的介孔氧化石墨烯/二氧化钛复合材料(GO/TiO₂), 再经过紫外灯辐照还原获得介孔还原氧化石墨烯/二氧化钛复合材料(RGO/TiO₂)。通过X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、比表面积(BET)、紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)和荧光光谱(PL)对样品进行分析表征, 研究了RGO/TiO₂的形貌、孔径分布情况, RGO的引入对光生电子-空穴对寿命、吸附性能、光催化性能的影响。分别在紫外光和太阳光条件下评价了复合材料的光催化性能, 并在紫外光条件下, 对催化剂进行了多次回收循环测试。测试结果表明: TiO₂均匀地生长于RGO表面, RGO/TiO₂为介孔材料; RGO的引入可以有效地抑制光催化剂中光生-电子空穴对的复合, 提高吸附性能和光催化性能, 7wt%RGO/TiO₂显示出对甲基橙的最佳吸附效果; 5wt%RGO/TiO₂对甲基橙具有最佳光催化效果和稳定的催化活性, 经过4次循环后, 紫外光照50 min, 对甲基橙的降解率仍能达到首次降解效率的90%以上。     

Multifold interface and multilevel crack propagation mechanisms of graphene oxide/polyurethane/epoxy membranes interlaminar-toughened carbon fiber-reinforced polymer composites

Graphene oxide/polyurethane/epoxy (GO/PU/EP) membranes were directly fabricated by functionalization of graphene oxide with epoxy-grafted polyurethane (GO-UE), and the interface correlation and crack propagation mechanisms in GO/PU/EP membranes interlaminar-toughened carbon fiber-reinforced polymer composites were investigated. The functionalized GO-UE with corrugation and scrolling nature of graphene sheets was evenly dispersed in GO/PU/EP membranes below 0.50 wt% loading. Mode I fracture toughness, flexural properties and interlaminar shear strength of GO/PU/EP membranes-toughened composites were enhanced in comparison with untoughened composites and PU/EP membranes-toughened composites, which was ascribed to the multifold interface bonding between the GO-UE layers, epoxy matrix and carbon fiber. Schematic models of multilevel crack propagations were proposed based on different crack extension directions to GO-UE and the morphology evolutions of GO-UE in the interlaminar region and at the carbon fiber interface in toughened composites, which highlighted the toughening mechanisms of crack pinning, crack deflection and separation between GO-UE layers.     

石墨烯/纳米TiO_2复合材料的制备及光催化还原性能

为探索超声辅助下利用紫外光及耦合热还原工艺制备RGO/纳米TiO_2复合材料的方法,并对其在缺氧水体中的光催化还原特性进行研究,首先,以鳞片石墨为原料,采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯(GO),进而通过超声/紫外光还原工艺制备了还原氧化石墨烯(RGO);然后,以钛酸丁脂和RGO为前驱物,采用溶胶-凝胶法并在氮气保护下高温加热制备了RGO/纳米TiO_2复合光催化材料;接着,利用FTIR、XRD、BET及紫外-可见光谱等对RGO/纳米TiO_2复合材料进行了结构性能表征;最后,以2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)为探针物,研究了RGO/纳米TiO_2在缺氧水体中的光催化特性与2,4-D降解机制。结果表明:采用低温氧化Hummers法制备的GO六碳环上生成的活性基团较少,采用超声/紫外光还原工艺及耦合高温热还原工艺可使环状结构得到良好的修复;所制备的RGO/纳米TiO_2复合材料具有良好的2,4-D降解能力,在缺氧状态下,2,4-D主要发生光催化还原反应,脱除苯环上的氯,产生氯酚、邻苯三酚及间苯三酚等中间产物,部分2,4-D被氧化降解生成CO_2和H_2O。制备的RGO/纳米TiO_2复合材料具有良好的光催化还原性能。     

两步水热法制备还原氧化石墨烯/纳米TiO_2复合材料及其光催化性能

为研究由还原氧化石墨烯(RGO)和具有高活性晶面的TiO_2组成的复合材料的制备方法及其光催化性能,首先采用两步水热法制备了RGO/纳米TiO_2复合材料:第1步为合成暴露高活性晶面的纳米TiO_2;第2步为将合成的纳米TiO_2与氧化石墨烯(GO)复合,形成RGO/纳米TiO_2复合材料。然后,利用XRD、SEM、X射线光电子能谱仪和紫外-可见漫反射光谱等手段对制备的暴露不同晶面的纳米TiO_2和RGO/纳米TiO_2复合材料进行了表征,评价了其光催化性能。结果表明:在水热法的第1步中,通过调节HF的浓度能可控制备出具有高活性的(001)和(101)晶面的纳米TiO_2,氟原子在纳米TiO_2中以物理吸附态和化学结合态这2种形态存在;在第2步后,GO与纳米TiO_2复合形成RGO/纳米TiO_2复合材料,同时在此过程中GO被转化成RGO。在紫外光照射下,两步水热法合成的RGO/纳米TiO_2复合材料具有很好的光催化性能,明显优于商用TiO_2(P25)和纳米TiO_2的。RGO/纳米TiO_2复合材料的光催化性能有明显的提高,RGO和TiO_2暴露的晶面对光催化活性有影响。     

一步合成还原氧化石墨烯/MnO2复合材料及其电化学性能

通过水热法, 利用氧化石墨烯(GO)和二价锰盐, 一步合成了还原氧化石墨烯/MnO₂(RGO/M)复合电极材料。采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(RS)、傅里叶红外光谱(FTIR)和场发射扫描电镜(FESEM)等测试电极材料的物性, 通过循环伏安、交流阻抗和恒流充放电等方法研究电极材料的电化学性能。结果表明, 在一定水热反应条件下, 通过控制GO与二价锰盐配比, 可以调节RGO/M的结构及其电化学性能。在1 A/g电流密度下, 所得RGO/M复合电极的比电容可达277 F/g, 经过500次循环后, 保持率达到98%。     

氧化石墨烯改性玄武岩纤维及其增强环氧树脂复合材料性能

为了改善玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的界面性能,通过偶联剂对氧化石墨烯进行改性,并将改性后的氧化石墨烯引入到上浆剂中对玄武岩纤维进行表面涂覆改性,同时制备了氧化石墨烯-玄武岩纤维/环氧树脂复合材料.采用FTIR表征了氧化石墨烯的改性效果;运用SEM分析了改性上浆剂处理对玄武岩纤维表面及复合材料断口形貌的影响和作用机制.结果表明:偶联剂成功接枝到氧化石墨烯表面;玄武岩纤维经氧化石墨烯改性的上浆剂处理后,表面粗糙度及活性官能团含量增加,氧化石墨烯-玄武岩纤维/环氧树脂界面处的机械齿合作用及化学键合作用增强,界面黏结强度得到改善,玄武岩纤维的断裂强力提高了30.8%,氧化石墨烯-玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度提高了10.6%.