石墨烯、过渡金属碳/氮化物(MXenes)等二维纳米材料拥有许多优异物理、化学和力学性能,在能量存储、环境治理、聚合物基复合材料等领域拥有广阔的应用前景。但是,二维材料在某些场合单独使用时仍存在许多不足与局限,严重限制了二维纳米材料的广泛应用。例如,层间作用力的存在使石墨烯容易发生二次堆叠;石墨烯因其表面惰性很难均匀分散在聚合物基体中;虽然MXenes具有较高导电性和表面活性,但是MXenes片层间存在较大接触电阻,限制了 MXenes导电网络的形成。为此,设计基于二维纳米片层的杂化结构是拓宽二维材料应用的重要手段。我们在超临界二氧化碳流体(scCO2)辅助下制备了多种石墨烯基纳米杂化材料,解决了杂化组分在石墨烯表面分散不均匀的问题,拓宽了石墨烯的应用。另外,我们在聚合物基体中构建了连续的Mxenes传导网络,制备了具有高导电和优秀电磁屏蔽性能的聚合物基复合材料。取得的主要研究结果如下:(1)通过scCO2辅助负载以及石墨烯原位还原Fe2O3制备了多种石墨烯纳米杂化材料:在石墨烯表面均匀沉积催化剂纳米颗粒是制备碳纳米管/石墨烯(CNT@G)三维杂化材料的关键。我们在scCO2流体辅助下将Fe2O3沉积在化学惰性的石墨烯表面,借助石墨烯的还原作用将Fe2O3原位转变为零价Fe。通过XRD和TGA-MS测试等手段,提出并证实了石墨烯的还原机理。随后,以石墨烯表面原位形成的零价Fe作为催化剂,通过化学气相沉积法制备了 CNT@G三维杂化材料。此外,通过控制单质Fe的氧化速率,获得了 γ-Fe203@G和α-Fe203@G杂化材料。(2)在scCO2流体辅助下制备了 AlOOH@石墨烯纳米杂化材料,研究其氟离子吸附性能:利用高效、绿色的scCO2辅助法制备了具有规整立构的AlOOH@RGO纳米杂化材料。AlOOH纳米片层均匀插接在RGO表面,形成的三维结构具有513 m2.g-1的比表面积。得到的立构结构中存在许多空隙,有助于吸附其它物质。杂化材料在低浓度的氟离子水体中表现出优异氟离子吸附性能。AlOOH@RGO杂化材料呈现优秀的氟离子吸附量(118.7 mg·g-1),高于其它同类型的铝基吸附剂。同时AlOOH@RGO稳定的杂化结构使材料表现出很好的分离特性。研究了 AlOOH@RGO的吸附机理以及pH值和共离子对吸附性能的影响。(3)在scCO2流体辅助下开展A1203@石墨烯纳米杂化材料的制备及其电绝缘导热研究:电子器件热管理领域对高导热的电绝缘纳米材料的需求大。虽然高品质石墨烯具有高导热性,是制备导热材料的理想选择,但是如何充分利用石墨烯的导热性但同时抑制其高导电性仍是一个难题。为此,我们利用在scCO2辅助下在高品质石墨烯纳米微片(GNPs)惰性表面沉积电绝缘A1203包覆层,抑制了 GNPs导电性。将Al2O3@GNP纳米杂化材料与环氧树脂复合,制备了导热但电绝缘的Al2O3@GNP/环氧树脂复合材料。在保证电绝缘条件下,环氧树脂复合材料导热率高达0.96 W·m-1·K-1,是纯环氧树脂(0.22 W·m-1·K-1)的436%,表明制备的杂化材料是一种理想的导热电绝缘填料。(4)通过静电自组装制备了三维Ti3C2Tx@聚苯乙烯纳米复合材料,开展其电磁屏蔽研究:首先以有机季铵盐作为稳定剂和接枝单体,制备了带正电的聚苯乙烯(PS)微球,随后PS微球与带负电的Ti3C2Tx发生静电组装,获得Ti3C2Tx@PS壳核杂化材料,经高压模压,成功制备了具有三维Ti3C2Tx导电网络的Ti3C2Tx@PS纳米复合材料。Ti3C2Tx三维网络提高了复合材料导电性和电磁屏蔽性能,复合材料的导电逾渗阈值仅为0.26vol%。当填量为1.90vol%时,Ti3C2Tx@PS纳米复合材料导电率高达1081 S·m-1,其X波段电磁屏蔽效率达到54-62 dB,高于目前文献报道值。该复合材料的动态储能模量为2226 MPa,与纯PS和常压制备的复合材料的动态储能模量分别提高了 54%和 56%。