功能性金属氧化物/石墨烯复合材料的化学气相沉积法制备与性能研究

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在石墨烯的化学气相沉积(CVD)法生长中,以金属氧化物作为衬底可避免转移过程对石墨烯结构的破坏,更好地保留石墨烯独特的电学、光学、热学等性能。但此前通过CVD法制备的一系列金属氧化物/石墨烯复合材料都仅仅利用了衬底的绝缘性能,而忽略了金属氧化物的其它物理化学性质。由于CVD法生长的石墨烯具有层数薄、质量好、与衬底结合紧密等优点,可有效增强功能性金属氧化物自身的物理化学性能。本课题基于前期调研与探索,选择纳米钛酸锶(STO)粉体和双通多孔阳极氧化铝(AAO)膜这两种功能性金属氧化物材料作为衬底,通过CVD法生长石墨烯对其进行了改性,使纳米钛酸锶粉体的光催化性能和双通多孔阳极氧化铝膜的耐腐蚀性能均得到了大幅提升。主要内容如下:  1.利用CVD法制备了核壳结构的纳米钛酸锶/石墨烯复合光催化材料。CVD法生长的石墨烯具有透光性能好、电子迁移率高、可与衬底化学键合等优点,克服了还原氧化法中石墨烯片层堆叠、含氧官能团残留、有效接触面积小等缺陷。与钛酸锶/还原氧化石墨烯材料相比,CVD法所制备的钛酸锶/石墨烯复合材料的光催化反应速率常数提高了74.5%。通过一系列表征测试手段,我们发现CVD法生长石墨烯可有效提高纳米钛酸锶中光生载流子的分离能力,从而大幅提升其光催化活性,有助于促进纳米钛酸锶光催化材料在实际生产中的应用。  2.利用CVD法制备了多孔阳极氧化铝/石墨烯复合材料。由于CVD法生长的石墨烯具有结晶度高、化学稳定性好等优点,可有效阻隔外界腐蚀性液体,从而提高多孔阳极氧化铝膜的耐腐蚀性能。通过等离子体的辅助,我们将CVD生长石墨烯的操作温度降低至多孔阳极氧化铝膜的相变温度以下,在不改变有序孔道结构的前提下实现了高质量石墨烯的包覆。与传统的改性方法相比,CVD法在防腐蚀改性的同时保留了多孔阳极氧化铝膜的分离能力,拓展了其应用领域。  通过本课题的研究,我们扩展了金属氧化物/石墨烯复合材料的衬底选择范围,揭示了CVD法生长石墨烯在改善金属氧化物自身性能方面的独特作用,对功能性金属氧化物的应用研究具有重要意义。
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