基于氧化石墨烯納米復(fù)合材料的制備表征及其性能研究摘要本研究圍繞氧化石墨烯納米復(fù)合材料展開，采用改進(jìn)的Hummers法制備氧化石墨烯（GO），并通過不同的復(fù)合策略將其與金屬納米粒子、聚合物等進(jìn)行復(fù)合，制備出一系列氧化石墨烯納米復(fù)合材料。運(yùn)用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）等多種表征手段對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、形貌和化學(xué)組成進(jìn)行深入分析。同時(shí)，系統(tǒng)研究了復(fù)合材料在電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)以及吸附等方面的性能。研究結(jié)果表明，氧化石墨烯納米復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，在電子器件、能源存儲、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本研究為氧化石墨烯納米復(fù)合材料的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。關(guān)鍵詞氧化石墨烯；納米復(fù)合材料；制備；表征；性能一、引言氧化石墨烯（GrapheneOxide，GO）是石墨烯的重要衍生物，因其獨(dú)特的二維層狀結(jié)構(gòu)、豐富的含氧官能團(tuán)以及良好的化學(xué)可修飾性，在材料科學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。GO表面的羥基、羧基和環(huán)氧基等官能團(tuán)使其具有良好的親水性和與其他材料的相容性，為制備高性能納米復(fù)合材料提供了可能。將GO與金屬納米粒子、聚合物、陶瓷等材料復(fù)合，可以充分發(fā)揮各組分的優(yōu)勢，賦予復(fù)合材料獨(dú)特的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，在電子、能源、環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。目前，關(guān)于氧化石墨烯納米復(fù)合材料的研究已取得了一定的進(jìn)展，但在制備工藝的優(yōu)化、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的深入理解以及實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)突破等方面仍存在諸多挑戰(zhàn)。本研究旨在通過探索新的制備方法，制備具有特定結(jié)構(gòu)和性能的氧化石墨烯納米復(fù)合材料，并深入研究其結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為拓展氧化石墨烯納米復(fù)合材料的應(yīng)用范圍提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。二、氧化石墨烯納米復(fù)合材料的制備（一）氧化石墨烯的制備本研究采用改進(jìn)的Hummers法制備氧化石墨烯。具體步驟如下：在冰水浴條件下，將一定量的石墨粉緩慢加入到濃硫酸中，攪拌均勻后，分批加入高錳酸鉀，控制反應(yīng)溫度在0-5℃，反應(yīng)2h。隨后，將反應(yīng)體系升溫至35℃，繼續(xù)攪拌反應(yīng)30h。反應(yīng)結(jié)束后，緩慢加入適量的去離子水，使反應(yīng)體系溫度升高至98℃，攪拌15min。最后，加入適量的雙氧水終止反應(yīng)，通過離心、洗滌等操作去除雜質(zhì)，得到氧化石墨烯分散液。將氧化石墨烯分散液進(jìn)行冷凍干燥，即可得到氧化石墨烯粉末。（二）氧化石墨烯-金屬納米粒子復(fù)合材料的制備采用化學(xué)還原法制備氧化石墨烯-金屬納米粒子復(fù)合材料。以氧化石墨烯-銀納米粒子復(fù)合材料為例，將一定量的氧化石墨烯分散液超聲分散均勻后，加入硝酸銀溶液，攪拌均勻。在室溫下，緩慢加入過量的硼氫化鈉溶液作為還原劑，反應(yīng)過程中溶液顏色逐漸變黑，表明銀納米粒子在氧化石墨烯表面生成。繼續(xù)攪拌反應(yīng)2h后，通過離心、洗滌等操作去除未反應(yīng)的試劑和雜質(zhì)，得到氧化石墨烯-銀納米粒子復(fù)合材料。（三）氧化石墨烯-聚合物復(fù)合材料的制備采用溶液共混法制備氧化石墨烯-聚合物復(fù)合材料。以氧化石墨烯-聚乳酸（PLA）復(fù)合材料為例，將氧化石墨烯分散在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，超聲分散1h使其均勻分散。同時(shí)，將聚乳酸溶解在DMF中，配制成一定濃度的溶液。將聚乳酸溶液緩慢加入到氧化石墨烯分散液中，攪拌均勻后，在60℃下真空干燥，去除溶劑，得到氧化石墨烯-聚乳酸復(fù)合材料。三、氧化石墨烯納米復(fù)合材料的表征（一）結(jié)構(gòu)表征X射線衍射（XRD）分析：利用X射線衍射儀對氧化石墨烯及其復(fù)合材料進(jìn)行測試，分析其晶體結(jié)構(gòu)和層間距的變化。純石墨在2θ=26.5°處有一個(gè)尖銳的衍射峰，對應(yīng)于石墨的（002）晶面。經(jīng)過氧化處理后，氧化石墨烯在2θ=10.5°左右出現(xiàn)新的衍射峰，表明石墨層間插入了含氧官能團(tuán)，層間距增大。當(dāng)制備成復(fù)合材料后，根據(jù)復(fù)合材料中其他組分的不同，XRD圖譜會出現(xiàn)相應(yīng)的特征衍射峰，可用于判斷復(fù)合材料中各組分的存在和結(jié)晶狀態(tài)。傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）分析：通過FT-IR光譜儀對樣品進(jìn)行分析，研究氧化石墨烯及其復(fù)合材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)變化。氧化石墨烯的FT-IR光譜在3400cm?1左右出現(xiàn)寬而強(qiáng)的吸收峰，對應(yīng)于羥基的伸縮振動(dòng)；1720cm?1處的吸收峰歸屬于羧基中C=O的伸縮振動(dòng)；1620cm?1處的吸收峰對應(yīng)于未被氧化的C=C雙鍵的伸縮振動(dòng)；1380cm?1和1050cm?1處的吸收峰分別對應(yīng)于C-OH和C-O-C的伸縮振動(dòng)。在制備成復(fù)合材料后，F(xiàn)T-IR光譜會出現(xiàn)新的吸收峰或吸收峰強(qiáng)度的變化，可用于分析復(fù)合材料中各組分之間的相互作用。（二）形貌表征掃描電子顯微鏡（SEM）觀察：利用SEM對氧化石墨烯及其復(fù)合材料的表面形貌進(jìn)行觀察。純氧化石墨烯呈現(xiàn)出薄片狀結(jié)構(gòu)，表面較為光滑。當(dāng)與金屬納米粒子或聚合物復(fù)合后，SEM圖像可以清晰地顯示出金屬納米粒子在氧化石墨烯表面的分布情況以及聚合物與氧化石墨烯的復(fù)合狀態(tài)。例如，在氧化石墨烯-銀納米粒子復(fù)合材料的SEM圖像中，可以看到銀納米粒子均勻地分布在氧化石墨烯片層表面。透射電子顯微鏡（TEM）觀察：TEM具有更高的分辨率，能夠更清晰地觀察氧化石墨烯及其復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。通過TEM觀察，可以準(zhǔn)確測量氧化石墨烯的厚度、金屬納米粒子的尺寸以及它們在復(fù)合材料中的分散情況。在氧化石墨烯-聚乳酸復(fù)合材料的TEM圖像中，可以看到聚乳酸均勻地包裹在氧化石墨烯片層周圍，形成了良好的復(fù)合結(jié)構(gòu)。四、氧化石墨烯納米復(fù)合材料的性能研究（一）電學(xué)性能采用四探針法測試氧化石墨烯納米復(fù)合材料的電導(dǎo)率。研究發(fā)現(xiàn)，純氧化石墨烯由于其表面的含氧官能團(tuán)破壞了石墨烯的共軛結(jié)構(gòu)，電導(dǎo)率較低。當(dāng)與金屬納米粒子復(fù)合后，金屬納米粒子在氧化石墨烯表面形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，顯著提高了復(fù)合材料的電導(dǎo)率。例如，氧化石墨烯-銀納米粒子復(fù)合材料的電導(dǎo)率隨著銀納米粒子含量的增加而逐漸提高。而氧化石墨烯-聚合物復(fù)合材料的電導(dǎo)率則主要取決于聚合物的導(dǎo)電性和氧化石墨烯在聚合物中的分散狀態(tài)。（二）力學(xué)性能通過萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試氧化石墨烯納米復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量。結(jié)果表明，在聚合物基體中加入適量的氧化石墨烯，可以有效提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。氧化石墨烯的二維層狀結(jié)構(gòu)能夠在聚合物基體中起到增強(qiáng)作用，阻礙聚合物分子鏈的滑移，從而提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量。同時(shí)，氧化石墨烯與聚合物之間的界面相互作用也對復(fù)合材料的力學(xué)性能有著重要影響。（三）熱學(xué)性能利用熱重分析儀（TGA）和差示掃描量熱儀（DSC）研究氧化石墨烯納米復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和熱性能。TGA結(jié)果顯示，與純聚合物相比，氧化石墨烯-聚合物復(fù)合材料的熱分解溫度有所提高，表明氧化石墨烯的加入能夠增強(qiáng)復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。DSC測試可以分析復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熔融溫度等熱性能參數(shù)，為復(fù)合材料的加工和應(yīng)用提供重要參考。（四）吸附性能以染料廢水處理為例，研究氧化石墨烯納米復(fù)合材料的吸附性能。將一定量的氧化石墨烯納米復(fù)合材料加入到染料溶液中，在一定溫度和攪拌條件下進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。通過測定吸附前后染料溶液的濃度，計(jì)算復(fù)合材料的吸附量。結(jié)果表明，氧化石墨烯納米復(fù)合材料對染料具有良好的吸附性能，這主要?dú)w因于氧化石墨烯豐富的比表面積和表面官能團(tuán)能夠與染料分子發(fā)生物理吸附和化學(xué)吸附作用。五、結(jié)論本研究成功制備了多種氧化石墨烯納米復(fù)合材料，并通過多種表征手段對其結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了深入分析。研究結(jié)果表明，所制備的氧化石墨烯納米復(fù)合材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能。在電學(xué)性能方面，與金屬納米粒子復(fù)合能夠顯著提高復(fù)合材料的電導(dǎo)率；在力學(xué)性能方面，適量的氧化石墨烯能夠增強(qiáng)聚合物基體的拉伸強(qiáng)度和彈性模量；在熱學(xué)性能方面，氧化石墨烯的加入提高了復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性；在吸附性能方面，氧化石墨烯納米復(fù)