石墨烯基功能纳米复合材料的可控制备及应用

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当前,环境污染问题已日趋全球化,水环境污染物成分复杂、无法采用传统工艺有效治理,从而给生态系统、人类健康、经济社会的可持续发展带来极大的危害。设计开发新型功能材料并结合光催化技术高效去除污染物是治理水污染问题的有效途径,也是功能材料、光催化领域的研究热点。现有的光催化材料如氧化物半导体、窄禁带半导体虽具有较好的光催化活性,但存在可见光吸收差、原材料毒性大、光生电子难有效分离等不同缺点。因此采用纳米技术和结构调控手段制备可见光响应的新型功能复合材料,并结合光催化技术来深度净化污染的水环境,是材料、光催化和环境领域研究工作者面临的机遇和挑战。  在本论文中,我们在前期石墨烯(氧化石墨烯)基纳米复合光催化材料合成与研究应用的基础上,采用纳米复合技术和结构调控手段,综合静电驱动自组装、离子交换法以及水热处理的方法,将不同组分的具有高效光催化活性和抗菌性能的二氧化钛、磷酸银与石墨烯(或氧化石墨烯)有效组装,制备出结构可控的二体系、三体系石墨烯基功能纳米复合材料。利用X射线电子衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼(Raman)等测试表征手段综合分析纳米复合材料的组成、结构、微观形貌。并在模拟的污染水环境条件下,考察该系列复合材料在可见光照射下对常见有机污染物的光催化效果,以及抑制和杀灭常见细菌的效果。实验结果表明:氧化石墨烯(石墨烯)的添加量以及各组分配比对复合材料的光催化活性及杀菌性能影响较大;少量添加的石墨烯基材料能够有效促进光生电子的迁移,从而避免光生电子空穴的再次复合。所获得的纳米复合材料对常见的有机染料均表现出高效的光催化活性;且在光照条件下展示出优异的抗菌杀菌活性,最小杀菌浓度(MIC)基本低于100 ppm。此外我们在全面考察复合材料的组成、结构、微观形貌与光催化活性、杀菌性能之间的构效关系的基础上,阐明复合材料的光催化反应机理和杀菌机理;进一步揭示复合材料稳定性和性能增强的机制。复合材料各组分之间较好的界面接触、石墨烯基材料较好的光吸收、吸附性能和高导电性、不同半导体材料形成的异质结构对复合材料的性能提高贡献较大;光照条件下产生的氧化性空穴和活性自由基能够高效降解有机污染物,并破坏微生物的细胞结构。本论文的研究可以丰富复合材料的种类,为研究开发成本低廉、稳定性好、可见光吸收能力强、具有高效光催化效果和优异杀菌效果的新型多功能水质净化材料奠定坚实的技术基础。
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