纳米金刚石和石墨烯的表面修饰及其电泳行为研究

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纳米金刚石(nanodiamond,ND)和石墨烯是两种新型的碳纳米材料,具有独特的物理化学性质。ND除了具有纳米材料的特性外,还具有金刚石优异的化学和电化学稳定性、高硬度、高热导率;石墨烯则是重要的二维纳米材料,具备大的比表面积、良好的导电性和化学稳定性。这两种纳米材料在纳米流体、电化学检测、光催化剂等研究领域中都有广泛的应用。利用电泳技术能够控制纳米材料的运动方式。由于电泳技术所需的设备简单、运动速度可控、在异型表面沉积均匀等优点,从而成为了实现良好操控纳米粉体的最有效手段之一。采用电泳技术对纳米材料进行操作中,纳米颗粒的悬浮稳定性是该技术中的关键。由于ND和石墨烯易于团聚、叠聚,因此其悬浮稳定性较差。通常对纳米颗粒进行表面修饰是解决这一问题的有效途径。由于金刚石具有良好的热导率,本文制备了低浓度的ND悬浮液。采用瞬态热丝法测量其导热系数,结果表明ND纳米流体的导热系数随着粒子加入量的增加、颗粒粒径的减小而随之增大。对ND纳米流体施加直流电场,使ND粒子由布朗运动变为从热端向冷端的定向移动,发现了纳米流体中的电泳强制对流传热现象。在纳米流体的电泳强制对流传热实验中,发现其传热的性能随着电场强度增加、颗粒粒径减小和悬浮液浓度的增大而随之增强。为了实现ND的电泳沉积,制备稳定的高浓度悬浮液,本文采用循环抽真空-充氟气的方式对ND进行了氟化处理,获得了氟终止纳米金刚石(F-ND)。TEM观察结果表明氟化使ND的团聚体变小,对ND具有解团聚的作用,并提高了其悬浮液的稳定性。在1090V/cm的直流电场下,实现了F-ND的阳极电泳沉积,沉积层均匀平整。将F-ND电泳沉积到玻碳电极表面制成修饰电极,并测试了电极的电化学性质。电化学实验表明,修饰电极在0.5mol/L的Na2SO4溶液中的电势窗口范围相对于原始玻碳电极增加了0.6V,增宽了其电势窗口。Fe(CN)63-/Fe(CN)64-氧化还原对在修饰电极上发生准可逆反应。由于电场屏蔽效应,电泳沉积的涂层均匀可控。本文通过在泡沫镍表面电泳沉积金刚石微粉,然后化学镀镍磷合金固结的方法制备出了孔隙可控的多孔抛磨工具。分析结果表明,通过控制电泳沉积和化学镀条件,镍磷合金能够有效地将金刚石微粉均匀地固结在泡沫镍基底上。当复合镀层的增重率为220%时,其抗折强度比原始泡沫镍的抗折强度提高了50倍。观察镀层磨削后的形貌,发现制备出的磨具镀层与基底结合紧密。石墨烯巨大的比表面积和良好的导电性使其适合作为催化剂载体。本文采用溶胶-凝胶法制备出了负载LaMnO3纳米晶的石墨烯复合粉体。LaMnO3晶粒平均尺寸为20nm,复合粉体的孔径约为3nm。利用的直流电场将复合粉体电泳沉积到ITO导电玻璃上,将其作为光催化剂对染料酸性红A进行光催化降解实验,结果表明复合膜具有良好的光催化效果,10h内对酸性红A的脱色率达到了96.8%。且石墨烯的质量分数为10%时,复合薄膜的光催化性能最好。
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