石墨烯纳米金三维光热材料的制备及其光热性能研究【字数：9884】
本文通过原位复合法制备氧化石墨烯（GO）-金纳米粒子（AuNPs）纳米复合材料，通过冷冻干燥的方法将其构筑成GO-AuNPs三维海绵复合材料，并利用热还原法将GO-AuNPs还原制成RGO-AuNPs三维材料。紫外吸收及TEM测试结果表明AuNPs成功的负载到GO表面，形成稳定的GO-AuNPs的纳米复合材料。光热测试结果表明，相比于单独的GO及AuNPs，GO-AuNPs纳米材料具有更佳的光热转换性能，因此其构筑的三维材料也具有极佳的光热转换性能，可以在阳光辐照下迅速升温。水热蒸发测试结果，RGO-AuNPs三维海绵具有极高的水蒸发效率，可以高效的将水转化为水蒸气。同时，虽然接触角测试结果表明RGO海绵随着还原度的升高，其亲水性能会有所下降，但材料整体的光热转换性能提高，水热蒸发效率也随之提高。
目 录
1.前言 1
1.1 三维石墨烯材料的概述 1
1.1.1 三维石墨烯材料的研究与价值 1
1.1.2 三维石墨烯的制备 1
1.1.3 三维石墨烯的应用 2
1.2 AuNPs的概述 3
1.2.1 AuNPs的制备 4
1.2.2 AuNPs的应用 4
1.3 RGOAuNPs三维材料 5
1.3.1 RGOAuNPs三维材料的制备 5
1.3.2 RGOAuNPs三维材料的应用前景 6
1.4 太阳能水蒸汽材料 6
1.4.1 太阳能水蒸气材料研究现状 6
1.4.2 三维石墨烯在太阳能水蒸气材料领域应用前景 7
1.5 本课题研究的目的、意义及内容 7
1.5.1 本课题研究的目的、意义 7
1.5.2 本课题研究的内容 7
2.实验部分 8
2.1 实验药品及实验仪器 8
2.1.1 实验药品 8
2.1.2 实验仪器 8
2.2 AuNPs的制备 8
2.3 GO的制备 9
2.4 GOAuNPs复合材料的制备 10
2.5 GO海绵及GOAuNPs海绵的制备 10
2.6 RGO *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
海绵的制备及RGOAu海绵的制备 11
3.结果与讨论 12
3.1 材料的基本性能测试 12
3.1.1 AuNPs、GO和GOAuNPs的紫外表征 12
3.1.2 GOAuNPs的TEM测试 12
3.1.3 GOAuNPs三维结构SEM测试 13
3.1.4 不同还原度RGO海绵接触角测试 14
3.2 材料的光热性能测试（模拟太阳灯） 14
3.2.1 AuNPs、GO和GOAuNPs溶液的光热测试 14
3.2.2 GOAuNPs海绵的光热测试 15
3.2.3 GO与RGO海绵的光热性能测试 15
3.2.4 RGO海绵与RGOAuNPs海绵升温测试 16
3.3 三维复合材料RGOAuNPs海绵水热蒸发性能测试 16
3.3.1 4mg/ml RGOAuNPs海绵水热蒸发性能测试 16
3.3.2 不同还原度RGOAuNPs海绵材料的水热蒸发性能 17
4. 结论 18
参考文献 19
致谢 22
1 前言
1.1三维石墨烯材料的概述
1.1.1三维石墨烯材料的研究与价值
石墨烯虽是一种性能优异的二维片层材料，但是其优异性能主要表现在纳米尺度微观世界，因此要将石墨烯应用到实际，研究者们发现需要将石墨烯制备成三维宏观材料。这种结构不仅具有石墨烯本身导电108S/m、高导热5300W/(m.k)和高强度等特性，还具有新结构带来的低密度、高回弹、高比表面积、零泊松比等新的特性；并且三维石墨烯是一类具有多孔结构的整体性材料，使其在吸附、能量存储、隔热、能量转化等领域具有重要应用于前景，从而引起研究者们广泛的关注。如图11所示，从2005年到2017年，发表与三维石墨烯相关的论文数量得到了极大的提高，这也说明三维石墨烯结构逐渐成为石墨烯研究的重要方向[15]。
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图11web of science，2005年到2017年发表与三维石墨烯相关论文数量
1.1.2三维石墨烯的制备
三维多孔石墨烯分类可根据其结构分为各向异性和各向同性结构，具有各向同性结构的三维多孔石墨烯制备方法较为简单，常见的有模板法、自组装法等。自组装法最有效的自下而上的纳米技术之一，自组装法又分为水热法、化学还原法、交联法等[6]。
（1）水热自组装
水热法就是在密封定制的不锈钢反应釜内，以水为溶剂，在一定温度和压强下，添加还原剂反应生成水凝胶产物的合成方法。Xu等人[7]将10ml一系列浓度梯度的GO溶液放入16ml的反应釜中，在180℃下反应12h，并加入乙二胺还原GO得到RGO，通过RGO的疏水性和ππ共同作用使石墨烯片层之间分离产生距离，采用简单的一步水热法制备了具有机械强度高、热稳定性好和比电容高的三维石墨烯。Han等人[8]采用水热法制备石墨烯水凝胶，将GO放在90℃氨水溶液中浸泡1.5h后，保持石墨烯水凝胶三维结构仍保持良好，而且强度硬度均得到了很大的提高,这是由于氨水溶液的低冰点可有效地延缓其冷冻，，保持其多孔结构不受破坏，并且由于氨水与石墨烯水凝胶之间的化学反应，从而延长了石墨烯水凝胶的三维结构保存时间，为化学反应生成石墨烯片之间的酰胺键提供了充足时间。
（2）化学还原自组装
化学还原自组装是指在常压条件下，利用还原剂比如硫化钠、次磷碘酸、草酸、乙二胺、亚硫酸氢钠、HI、水合肼和维生素C等，将GO化学还原成石墨烯薄片，通过石墨烯片层之间ππ作用，从而引发石墨烯片层组装成石墨烯气凝胶。Zhang等人[9]以草酸和NaI的组合而成的还原剂还原GO，通过化学还原自组装法制备体积可以得到控制的三维石墨烯海绵，其中NaI是GO还原反应中还原剂，起着关键作用。
（3）交联法自组装
交联法自组装是利用化学法或物理法进行交联，使GO薄片层与层之间相互连接形成三维多孔结构。一些研究者利用GO中含氧基团（CO,C=O,OC=O）和PVA（聚乙烯醇）羟基间氢键的相互作用使得交联位点的形成，随着交联点数目的增加，使得石墨烯溶液变成石墨烯水凝胶三维材料。
目 录
1.前言 1
1.1 三维石墨烯材料的概述 1
1.1.1 三维石墨烯材料的研究与价值 1
1.1.2 三维石墨烯的制备 1
1.1.3 三维石墨烯的应用 2
1.2 AuNPs的概述 3
1.2.1 AuNPs的制备 4
1.2.2 AuNPs的应用 4
1.3 RGOAuNPs三维材料 5
1.3.1 RGOAuNPs三维材料的制备 5
1.3.2 RGOAuNPs三维材料的应用前景 6
1.4 太阳能水蒸汽材料 6
1.4.1 太阳能水蒸气材料研究现状 6
1.4.2 三维石墨烯在太阳能水蒸气材料领域应用前景 7
1.5 本课题研究的目的、意义及内容 7
1.5.1 本课题研究的目的、意义 7
1.5.2 本课题研究的内容 7
2.实验部分 8
2.1 实验药品及实验仪器 8
2.1.1 实验药品 8
2.1.2 实验仪器 8
2.2 AuNPs的制备 8
2.3 GO的制备 9
2.4 GOAuNPs复合材料的制备 10
2.5 GO海绵及GOAuNPs海绵的制备 10
2.6 RGO *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
海绵的制备及RGOAu海绵的制备 11
3.结果与讨论 12
3.1 材料的基本性能测试 12
3.1.1 AuNPs、GO和GOAuNPs的紫外表征 12
3.1.2 GOAuNPs的TEM测试 12
3.1.3 GOAuNPs三维结构SEM测试 13
3.1.4 不同还原度RGO海绵接触角测试 14
3.2 材料的光热性能测试（模拟太阳灯） 14
3.2.1 AuNPs、GO和GOAuNPs溶液的光热测试 14
3.2.2 GOAuNPs海绵的光热测试 15
3.2.3 GO与RGO海绵的光热性能测试 15
3.2.4 RGO海绵与RGOAuNPs海绵升温测试 16
3.3 三维复合材料RGOAuNPs海绵水热蒸发性能测试 16
3.3.1 4mg/ml RGOAuNPs海绵水热蒸发性能测试 16
3.3.2 不同还原度RGOAuNPs海绵材料的水热蒸发性能 17
4. 结论 18
参考文献 19
致谢 22
1 前言
1.1三维石墨烯材料的概述
1.1.1三维石墨烯材料的研究与价值
石墨烯虽是一种性能优异的二维片层材料，但是其优异性能主要表现在纳米尺度微观世界，因此要将石墨烯应用到实际，研究者们发现需要将石墨烯制备成三维宏观材料。这种结构不仅具有石墨烯本身导电108S/m、高导热5300W/(m.k)和高强度等特性，还具有新结构带来的低密度、高回弹、高比表面积、零泊松比等新的特性；并且三维石墨烯是一类具有多孔结构的整体性材料，使其在吸附、能量存储、隔热、能量转化等领域具有重要应用于前景，从而引起研究者们广泛的关注。如图11所示，从2005年到2017年，发表与三维石墨烯相关的论文数量得到了极大的提高，这也说明三维石墨烯结构逐渐成为石墨烯研究的重要方向[15]。
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图11web of science，2005年到2017年发表与三维石墨烯相关论文数量
1.1.2三维石墨烯的制备
三维多孔石墨烯分类可根据其结构分为各向异性和各向同性结构，具有各向同性结构的三维多孔石墨烯制备方法较为简单，常见的有模板法、自组装法等。自组装法最有效的自下而上的纳米技术之一，自组装法又分为水热法、化学还原法、交联法等[6]。
（1）水热自组装
水热法就是在密封定制的不锈钢反应釜内，以水为溶剂，在一定温度和压强下，添加还原剂反应生成水凝胶产物的合成方法。Xu等人[7]将10ml一系列浓度梯度的GO溶液放入16ml的反应釜中，在180℃下反应12h，并加入乙二胺还原GO得到RGO，通过RGO的疏水性和ππ共同作用使石墨烯片层之间分离产生距离，采用简单的一步水热法制备了具有机械强度高、热稳定性好和比电容高的三维石墨烯。Han等人[8]采用水热法制备石墨烯水凝胶，将GO放在90℃氨水溶液中浸泡1.5h后，保持石墨烯水凝胶三维结构仍保持良好，而且强度硬度均得到了很大的提高,这是由于氨水溶液的低冰点可有效地延缓其冷冻，，保持其多孔结构不受破坏，并且由于氨水与石墨烯水凝胶之间的化学反应，从而延长了石墨烯水凝胶的三维结构保存时间，为化学反应生成石墨烯片之间的酰胺键提供了充足时间。
（2）化学还原自组装
化学还原自组装是指在常压条件下，利用还原剂比如硫化钠、次磷碘酸、草酸、乙二胺、亚硫酸氢钠、HI、水合肼和维生素C等，将GO化学还原成石墨烯薄片，通过石墨烯片层之间ππ作用，从而引发石墨烯片层组装成石墨烯气凝胶。Zhang等人[9]以草酸和NaI的组合而成的还原剂还原GO，通过化学还原自组装法制备体积可以得到控制的三维石墨烯海绵，其中NaI是GO还原反应中还原剂，起着关键作用。
（3）交联法自组装
交联法自组装是利用化学法或物理法进行交联，使GO薄片层与层之间相互连接形成三维多孔结构。一些研究者利用GO中含氧基团（CO,C=O,OC=O）和PVA（聚乙烯醇）羟基间氢键的相互作用使得交联位点的形成，随着交联点数目的增加，使得石墨烯溶液变成石墨烯水凝胶三维材料。
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