关键词： 陶瓷刀具   石墨烯增韧   石墨烯拔出   分子动力学   界面力学性能  

摘要： 在陶瓷刀具中加入适量的石墨烯,形成的石墨烯增强复合陶瓷刀具有着比纯单相陶瓷刀具更加优异的力学性能。然而受限于实验条件的限制,对石墨烯增强复合陶瓷刀具的研究还一直停留在以光学显微和宏观性能方面,而有关石墨烯增强复合陶瓷刀具的陶瓷基体与石墨烯之间界面力学性能的研究还相对较少。本文采用分子动力学模拟方法,通过选取合适的力场、系综和边界条件,模拟了石墨烯拔出氧化铝陶瓷刀具基体的过程。研究了石墨烯的拔出速度、系统温度、空位缺陷、石墨烯褶皱以及陶瓷刀具基体类型等对纳米复合陶瓷刀具界面力学性能的影响,揭示了石墨烯拔出时复合陶瓷刀具界面力学性能变化的微观原理,对进一步研究石墨烯增强复合陶瓷刀具的界面性能提供了一些思路,同时为新型石墨烯增强复合陶瓷刀具的研发和制备从微观角度上提供了理论依据。研究了石墨烯的拔出速度、系统温度以及石墨烯空位缺陷对AlO/GR纳米复合陶瓷刀具界面力学性能的影响。结果表明:AlO/GR纳米复合陶瓷刀具界面之间存在较大的界面相互作用能(639.91 e V)和界面剪切应力(382 MPa),石墨烯受到的最大界面拔出力和剪切应力随着拔出速度增加而增加。温度升高使AlO/GR纳米复合陶瓷刀具的界面相互作用能、最大界面剪切应力与拔出力减小,温度升高会使氧化铝陶瓷刀具基体发生蠕变。石墨烯中适量的空位缺陷增大了AlO/GR纳米复合陶瓷刀具的最大界面拔出力与剪切应力。研究了石墨烯褶皱、陶瓷刀具基体类型以及拔出速度对纳米复合陶瓷刀具界面力学性能的影响。结果表明:与平直的石墨烯相比较,褶皱石墨烯能更有效的增强氧化铝纳米复合陶瓷刀具的界面力学性能。与Si C/GS纳米复合陶瓷刀具相比,AlO/GS纳米复合陶瓷刀具的界面力学性能更好。AlO/GS和Si C/GS纳米复合陶瓷刀具的最大界面拔出力均随着石墨烯拔出速度的增加而增加,AlO/GS纳米复合陶瓷刀具在不同速度下的最大界面拔出力仍远大于Si C/GS纳米复合陶瓷刀具的最大界面拔出力。最后通过实验制备了AlO/GR纳米复合陶瓷刀具材料,并从断口形貌看到了石墨烯的拔出、断裂和石墨烯褶皱,对石墨烯的拔出模拟进行了验证。

关键词： 垂直石墨烯   化学气相沉积   柔性电极   血清素   人体体液  

摘要： 对于人体内神经递质的实时监测是非常重要的,神经递质的含量变化可以对诊断疾病提供关键的信息,本文基于硼氮共掺杂石墨烯(BNVG),开发了一种用于人体内血清素(5-HT)检测的柔性电化学传感器。硼氮共掺杂石墨烯的制备是通过化学气相沉积的方法,在柔性的钽条衬底上垂直生长硼氮共掺杂石墨烯。通过改变石墨烯中硼元素与氮元素的含量,来调节电化学的活性位点。本文开发的硼氮共掺杂石墨烯电化学传感器可以在5.0～9.0的p H值范围内对5-HT有定量响应,并且对于5-HT的线性检测范围与p H值无关。随着p H值改变传感器对5-HT的检测浓度范围为0.8μM～224μM,检测限范围在0.058μM～0.266μM之间。本文验证了电化学传感器可以对5-HT进行快速检测,并且检测范围不受p H值影响。本文验证了该传感器在肠液、胃液、人血清蛋白的模型样本溶液中也可以精确的检测到5-HT。本文还提供了一种柔性的小型携带式测试盒用于5-HT的检测,并且对兔子的血浆与血清进行了实物检测。结果表明本文设计的硼氮共掺杂石墨烯传感器可以用于神经递质血清素(5-HT)的快速稳定的检测。

关键词： 艾灸   氧化石墨烯   二氧化铈   纳米复合材料   感染性创面  

摘要： 目的:探讨艾灸和还原氧化石墨烯(reducedGrapheneOxide，rGO)/二氧化铈(CeriumOxide，CeO2)(简称GC)纳米复合材料对感染性创面的修复作用。　　方法:制备不同质量比GC纳米复合材料G2C1、G1C1和G1C2，并对其进行表征，分别对材料和艾灸组的抗菌性能进行检测。选取60只SpragueDawley(SD)雄性大鼠，建立金黄色葡萄球菌感染创面模型并随机分为10组，每组6只。其中对照组只用PBS清洗处理，莫匹罗星组作为阳性对照组，即用莫匹罗星治疗处理，材料组处理方式为创面负载不同浓度的纳米复合材料处理，且在808nm近红外激光（NIR）下治疗10min(功率为1W/cm2)。艾灸组为在不同距离(3.0-3.5cm(灸1)、2.5-3.0cm（灸2）和2.0-2.5cm（灸3））对创面进行温和灸（10min/次），艾灸+材料组是将材料负载至创面后行温和灸，以上治疗为2天一次，持续7天。此过程观察并拍照记录创面情况，在第3天和7天取样并进行苏木精-伊红染色(H&E)和马松(Masson)染色以观察创面修复情况。　　结果:　　①TEM和XPS实验证实了纳米复合颗粒G2C1、G1C1和G1C2的成功合成，并通过细菌悬浮液实验(P＜0.01)表明G1C1是抑菌率优异的材料，细胞毒性实验表明G1C1-60、G1C1-80和G1C1-100均具备优良的生物安全性。　　②与对照组相比，艾灸与G1C1材料组在体外均显示具良好抗生物膜活性(P＜0.01)，其中G1C1-80组和灸2组在生物膜清除实验中能明显破坏并清除生物膜，且二者效果接近，未见明显差异（P＞0.05）。　　③感染性创面经治疗第3天(P＜0.01)和第5天(P＜0.05)时，G1C1-80组创面愈合程度和明显高于灸2组，表明材料组早期创面愈合效果优于艾灸组。　　④感染性创面治疗第7天结果显示，莫匹罗星组、G1C1组、艾灸组和灸2+G1C1组均能实现有效清除创面细菌残留(P＜0.01)和促进感染性创面修复(P＜0.05)。G1C1-80组和灸2组的细菌清除与促感染性创面修复效果非常接近（P＞0.05)，且二者对创面修复效率优于莫匹罗星组(P＜0.05)。　　⑤相较而言，G1C1材料组中，G1C1-80和G1C1-100组对感染性创面修复疗效明显优于G1C1-120组(P＜0.01)。另外，在艾灸组中，灸2组的感染性创面修复效率优于灸1和灸3组（P＜0.01）。以上结果均表明温度是影响创面愈合的重要因素，且45-50℃更有利于创面愈合，而G1C1-120组和灸3组创面愈合进度不佳的原因可能是其温度过高损害创面愈合进程(大于50℃)。　　⑥相较于莫匹罗星可发现艾灸、G1C1纳米材料及其结合组也具有良好的抗感染效果，并且材料与艾灸联合使用对创面细菌清除效率优于单独使用(P＜0.01)。　　结论:　　该实验制备了GC纳米复合材料，通过体外实验结果表明，该材料具有良好的生物相容性，能够实现PTT抗菌。生物膜清除实验表明，艾灸和材料组均能杀死细菌，并有效清除已形成的生物膜。动物实验结果表明，艾灸、G1C1材料及其结合组均能有效抗菌促愈合，其中灸2组和G1C1-80组促愈合效果最好(45-50℃更有利于创面愈合)，而灸2+G1C1结合组细菌清除能力优于灸2和G1C1-80这两组。结果表明它们具有一定的临床应用潜力，这为创面愈合的治疗方式的选择提供新思路。

关键词： 理论研究   纳米粒催化剂   二氧化碳还原   掺杂  

摘要： 能源危机和环境污染是当今人类社会面临的两大问题,大量使用化石能源导致CO2过度排放,引发一系列的气候和环境问题。控制CO2排放已成为国内外社会的当务之急。对CO2进行捕集并将其催化转化为高价值化学品是实现能源存储和二氧化碳减排的重要方案。如何高效地处理CO2气体是当前科学家研究的重点之一。早期主要是通过地质隔离法来捕获并隔离CO2,但由于该方法需要大量的基础设备,同时存在泄露的危险,所以已经被淘汰。近些年来,出现了电催化、光催化、热催化和光热催化等方法来还原CO2气体。采用铜基催化剂将CO2转化为增值化学品和燃料被认为是一种具有发展前景的方法。许多研究报道通过掺杂、负载等方式进一步提高了铜基催化剂的性能。受这些研究的启发,本工作采用理论计算方法,研究了石墨烯负载的Cu13纳米粒(Cu13/G)加氢热催化还原CO2的微观反应机理,同时构建了系列金属掺杂Cu13/G催化剂并测试对CO2催化还原性能。具体内容如下: （1）根据实验报道结果,构建了Cu13/G、Cu12Pt/G、Cu12Ni/G、Cu12Pd/G、Cu12Co/G这5种铜基及掺杂催化剂,使用VASP软件优化了稳定的催化剂模型,计算了系列催化剂的电子结构和能带特征。研究CO2气体在催化剂表面上的吸附特性。确定了CO2与吸附在系列催化剂上的H2以E-R机理发生反应,得到了稳定的吸附构型。吸附在系列催化剂上的H2分子键长增加,说明吸附后H2被活化,参与后续的CO2催化还原过程。 （2）对于每种催化剂,分别研究了CO2催化还原为HCOOH、CH3OH和CH4三种产物的不同的反应路径,第一条路径是H2分子的两个H原子先后迁移到CO2上形成HCOOH,第二条和第三条路径是CO2首先还原为*CO,然后通过一系列还原步骤转化为*CH3O,最后加氢到*CH3O的O原子上形成CH3OH,或者加氢到*CH3O的C原子上则形成CH4。通过比较生成三种不同产物反应控制步骤活化能,确定催化反应选择性。比较不同金属掺杂催化效果,Pt、Ni、Pd和Co四种金属掺杂Cu13/G催化剂都有效地提高了催化还原CO2的活性,催化剂还原CO2活性顺序为Cu12Co/G>Cu12Ni/G>Cu12Pd/G>Cu12Pt/G>Cu13/G,Co金属掺杂催化效果最好而且其价格相对低廉,Cu12Co/G催化剂具有应用前景。 （3）研究了Cu13/G和Cu12X/G（X为Pt、Ni、Pd和Co）系列催化剂电子结构,差分电荷和态密度等物理性能,发现催化剂价带和导带能隙值越小,其催化活性越强,催化剂结构的费米能级改变也影响到催化的活性,本论文的研究揭示了石墨烯负载的铜基纳米粒及其金属掺杂催化剂活性与其物理性能之间的关联,为CO2新型催化剂的设计提供理论依据。 综上所述,本工作揭示了5种催化剂还原CO2的微观反应机理,希望能为今后设计新型高效的CO2还原催化剂提供一定的理论基础。

关键词： 电分析化学   石墨烯   植物电化学指纹图谱   电化学传感   卷积神经网络  

摘要： 植物的鉴定与识别可以对植物资源学和中药资源学领域提供理论指导,同时在药材鉴定、食品安全和经济作品控制中有着非常重要的应用价值。随着几万年的演化,许多植物有了明显的性状差异,可以通过性状观测来进行物种分类。但在同属间的植物中,往往性状差异较小,因此基于性状差异的传统分类学方法难以快速将其进行识别与鉴定。植物化学分类是通过对植物组织内部的化学成分进行分析,来确定植物种群间亲缘关系的分类技术。其中,植物电化学指纹图谱技术可以通过对植物组织的电化学活性物质进行检测,来实现植物的识别与分类,但其存在灵敏度较低的瓶颈,需要选择修饰电极去提升其检测性能。本论文主要基于石墨烯材料修饰电极对电极性能的影响和电分析化学对唇形科植物识别应用两大方面进行了探讨。主要研究内容如下:(1)研究基于石墨烯材料修饰电极用于植物的电化学传感。在不同条件下,对不同片径、不同厚度的氧化石墨烯、氨基化石墨烯、石墨烯共五种材料修饰电极所测得的植物电化学指纹图谱进行对比分析,其中包括,是否产生催化反应、对原特征峰的影响。观察修饰后的电极性能以及检测性能,选择综合性能最优的石墨烯材料。(2)分析石墨烯材料修饰电极对唇形科植物电化学指纹图谱的影响。通过有无石墨烯材料修饰的玻碳电极对36种唇形科植物的电化学指纹图谱进行检测。根据所得数据绘制伏安图、散点图、密度图和热图。将二者进行对比分析,结果表明,修饰后的电极检测出的指纹图谱特征更加明显,且根据聚类和主成分分析,发现其更准确显示36种唇形科植物之间的亲缘关系。(3)建立一种智能识别植物电化学指纹图谱的方法。采用构建传统卷积神经网络的方法对36种唇形科植物的电化学指纹图谱进行智能识别,当训练次数为60时,其识别结果准确率为82.222%。结果表明构建卷积神经网络对植物电化学指纹图谱有着十分重要的应用前景。

关键词： 复合材料   二氧化钛   石墨烯   金属离子掺杂   导电性能  

摘要： 导电涂料可应用于非导电材料的表面，使其释放表面产生的静电，从而有效避免因静电引起的火灾和爆炸，因此被广泛应用于建筑、化工、航天、国防武器等领域，其相关研究具有重要意义。TiO2是涂料产品的主要成分，有白度高、附着力强和耐候性等优点，但TiO2作为半导体材料，导电能力差，需对其进行改性，增强其导电性能。目前，ATO（包覆掺锑氧化锡）法制备导电TiO2是主流，但存在电阻率高、稀有矿产资源消耗大、污染严重等不足。因此，本论文以TiO2/石墨烯复合材料（T-G）为基体，通过掺杂不同价态金属离子来增强TiO2/石墨烯界面电荷传输能力，成功制备出具有高导电性能的TiO2/石墨烯复合材料。本文选择不同价态的Zr4+、Al3+、Ca2+为掺杂金属离子，研究了掺杂不同价态金属离子对TiO2/石墨烯界面电荷传输的影响。探究了金属离子掺杂对TiO2/石墨烯复合材料导电性能提升的导电机理。主要研究内容如下:　　（1）Zr4+掺杂TiO2/石墨烯导电复合材料（T-G-Zr）。将Zr4+掺入TiO2晶格，制备了小晶粒尺寸的TiO2，增加其载流子浓度，促进载流子在TiO2/石墨烯界面转移效率。此外，Zr4+对石墨烯的缺陷有修复作用，可促进载流子在石墨烯表面的转移能力。当Zr4+掺杂量为2%时，TiO2/石墨烯复合材料的电阻率由T-G（0.319 Ω·cm）降低至T-G-Zr（0.179 Ω·cm），导电性能提升了42%。　　（2）Al3+掺杂 TiO2/石墨烯导电复合材料（T-G-Al）。通过调控 TiO2形貌，增加 TiO2和石墨烯的界面接触面积。Al3+提升了载流子浓度，并且还增加了电化学活性的含氧官能团（C-OH/C=O）的含量，为载流子在TiO2/石墨烯界面的转移提供了更方便的转移途径。当 Al3+掺杂量为 3%时，TiO2/石墨烯复合材料的电阻率由T-G（0.310 Ω·cm）降低至T-G-Al （0.161 Ω·cm），导电性能提升了48%。　　（3）Ca2+掺杂 TiO2/石墨烯导电复合材料（T-G-Ca）。通过控制水热温度和煅烧温度调控TiO2为混晶型，提升其电子-空穴分离效率。将Ca2+掺入TiO2晶格，引入的氧空位显著提升了TiO2/石墨烯的载流子浓度。此外，形成的 Ti-O-Ca 三维导电网络有效地提高了界面电荷转移效率。当Ca2+掺杂量为4%时，TiO2/石墨烯复合材料的电阻率由T-G（0.169 Ω·cm）降低至T-G-Ca（0.080 Ω·cm），导电性能提升了53%。　　本文通过将 Zr4+、Al3+和 Ca2+掺杂到 TiO2晶格中，成功制备出具有优异导电性能的TiO2/石墨烯导电复合材料。研究了不同价态金属离子掺杂对 TiO2晶体结构的改性作用，并且深入探究了改性TiO2提升TiO2/石墨烯界面载流子转移的导电机理。为导电涂料的制备提供了一种新的制备思路和应用前景。

关键词： 锂离子电池   负极材料   Sn基   石墨烯   蛋黄-壳结  

摘要： 在锂离子电池负极材料中,Sn基材料因具备高比容量而备受关注。但是Sn基材料在实际应用中存在体积膨胀显著、容量衰减快和倍率性能差等问题,制约了其发展。为了改善这些问题,本文通过设计不同复合方式,合成了几种不同结构的Sn基复合材料。成果如下:（1）使用液相还原法成功制备了氮掺杂氧化石墨烯负载的Sn纳米颗粒复合材料（r GO/Sn）,避免了热解过程中低熔点Sn颗粒团聚的问题。锚定在石墨烯表面的Sn颗粒可平衡整个复合材料在充放电过程中产生的应力;乙二胺还原使石墨烯产生大量褶皱,缓解了Sn纳米颗粒在循环过程中的体积膨胀带来的应力变化。所得材料在500 m A g-1的电流密度下,循环300圈后材料的可逆容量为1739 m Ah g-1。（2）以1,10-邻菲咯啉为络合剂,以Sn Cl2·2H2O为锡源,通过化学沉淀—高温碳化法制备了嵌有超细纳米Sn的氮掺杂无定型碳,并同步将其负载于还原氧化石墨烯（GCS）。r GO表面的金属络合物涂层在热解后生成的超小颗粒的Sn很好地封装在具有三维结构氮掺杂的碳骨架中,减缓了循环过程中金属体积膨胀带来的应力变化。氮在碳中的掺杂可以增加额外的活性位点,降低电荷转移电阻和离子扩散障碍,促进锂离子的扩散,改善电极的润湿性。部分锂离子被吸附在碳基体表面或与氮原子结合,有助于电容电荷存储。所得样品在500 m A g-1,循环300圈后可逆容量为805 m Ah g-1。（3）使用3-氨基苯酚-甲醛树脂球作为模板材料,采用简便的熔盐扩散法和氧刻蚀法,成功地合成了蛋黄-壳结构Sn O2/C亚微米球型复合材料（YS Sn O2）。相比于以往制备蛋黄-壳结构的二氧化硅模板刻蚀法,该策略更加环保、方便、省时,并且不需要使用任何额外的液体氧化剂或溶剂。蛋黄-壳结构为Sn O2的体积变化提供了足够的空隙空间,而壳内的碳基质则可以作为导电基体,优化复合材料在循环过程中的电化学性能,碳基质中的氮掺杂改变了电子云结构从而提高碳基体的电导率。当树脂球与Sn Cl2·2H2O的质量比为1:4时,制备的样品具有最佳的倍率和循环性能,在2A g-1的电流密度下循环500圈后仍能维持771 m Ah g-1。

关键词： 石墨烯   表面活性剂   正交试验   石墨烯改性汽轮机油   导热系数  

摘要： 近年来,旋转机械轴承润滑系统快速发展,对汽轮机油的润滑性能和导热性能要求越来越高,有学者在汽轮机油中加入石墨烯颗粒进行改性,发现石墨烯改性汽轮机油的润滑性能有明显提高,但是当石墨烯添加量过多时,石墨烯颗粒无法在汽轮机油中稳定分散并且生成大量沉淀,石墨烯改性汽轮机油的导热性能因此大幅降低。为了使石墨烯在汽轮机油中稳定分散,可使用表面活性剂分散汽轮机油中的石墨烯,但是加入表面活性剂后,石墨烯改性汽轮机油的导热性能同样发生了改变。通过不同表面活性剂分散汽轮机油添加剂,研究表面活性剂对石墨烯改性汽轮机油导热性能的影响,并通过研究得到一种导热性能较好的石墨烯改性汽轮机油,具体研究内容和结论如下: 在石墨烯和汽轮机油的混合物中分别添加质量相同但种类不同的表面活性剂,根据有无沉淀和分层现象筛选表面活性剂。结果表明:在添加磺酸钙、聚异丁烯丁二酰亚胺、Mo-DTP以及硼酸铈的汽轮机油中未出现沉淀和分层现象,故使用这4种表面活性剂进行下一步研究。 利用前述4种表面活性剂分别配制含单一表面活性剂的石墨烯添加剂,且各表面活性剂均分别按0.5 wt%、1 wt%和2 wt%(wt%代表质量分数)添加,据此制备出12组无沉淀和分层现象的石墨烯改性汽轮机油。 利用HCDR-S导热系数测试仪对这12组石墨烯改性汽轮机油导热系数进行研究。结果表明,所有12组石墨烯改性汽轮机油导热系数均低于常规汽轮机油(基础油),即只采用单一表面活性剂无法提升汽轮机油导热系数。但是,使用磺酸钙表面活性剂制备的石墨烯改性汽轮机油导热系数高于其他石墨烯改性汽轮机油。 采用正交试验,研究多组分表面活性剂对石墨烯改性汽轮机油导热性能的影响。首先选取表面活性剂的种类为因素,以表面活性剂的质量分数为水平,并利用HCDR-S导热系数测试仪开展正交试验。通过对导热系数结果的极差分析得到各表面活性剂添加量的最佳水平为:0.5 wt%磺酸钙、1 wt%聚异丁烯丁二酰亚胺、1 wt%Mo-DTP和1.5 wt%硼酸铈。据此重新配制石墨烯添加剂和相应的石墨烯改性汽轮机油,并对其进行导热系数测试。结果表明:该石墨烯改性汽轮机油在40℃的导热系数为0.165 W/m·K,较基础油提高5.09%。 在前述研究的基础上,以石墨烯添加量、添加剂超声分散时间和改性汽轮机油温度为因素,石墨烯质量分数、时间指标和温度指标为水平,进一步开展正交试验,研究三个因素对石墨烯改性汽轮机油导热性能的影响。通过导热系数结果的极差分析得到各因素的最佳水平为:0.3 wt%石墨烯、30 min超声分散时间和20℃的试验温度。相应的石墨烯改性汽轮机油的导热系数为0.1652 W/m·K,较20℃基础油的导热系数提高0.98%。 对比第一次和第二次正交试验的结果,表明石墨烯质量分数和超声分散时间均一致,仅试验温度不同,但是,两次正交试验获得的最佳导热系数仅相差0.0002 W/m·K。这说明温度对第一次正交试验得到的石墨烯改性汽轮机油的导热系数影响有限。在40℃试验温度条件下,进一步与基础油对比,石墨烯改性汽轮机油导热系数比基础油提高了5.22%。 基于CFD技术,在相同边界条件下,研究汽轮机油黏度和导热系数对其导热性能影响程度的差异。研究结果表明:黏度对汽轮机油导热性能的影响高于导热系数对汽轮机油导热性能的影响。但是必须注意到,当汽轮机油黏度降低时,在旋转机械转子支撑系统中所形成的油膜承载力会降低,使得油膜容易破裂,而造成转子支撑系统失效,因此在实际工程中,不宜轻易选用黏度较低的汽轮机油,尽量提高汽轮机油导热系数仍是十分必要的。

关键词： 氧化石墨烯   纳滤   离子辐照   膜分离  

摘要： 水是生命之源,是生物体的重要组成部分;与此同时,水资源作为一种工业生产以及农业发展的必不可缺的资源之一,备受各国重视。全球范围内,水资源短缺已经成为一个严重的问题,尤其是在一些干旱或半干旱地区。水资源短缺会对经济、社会和环境产生重大影响,可能导致农业生产减少、食品供应紧张、生态环境恶化、社会稳定性下降等问题。相对于传统的水处理方法,膜分离具有较低的成本,可以节约能源和水资源。同时膜分离技术可以减少化学药品的使用,从而减少对环境的污染。因此,膜分离技术已经成为解决水资源短缺的重要手段,也是未来水处理技术的发展方向之一。氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)是一种的具有原子尺寸厚度的二维材料,其表面富含亲水性的含氧官能团,很容易地制成具有低摩擦水通道的氧化石墨烯膜(Graphene oxide membrane,GOM),这种结构有利于水分子在可调层间距下的超快传输,在水处理领域具有广阔的前景。但在水处理过程中,氧化石墨烯上的亲水官能团会结合水分子,引起氧化石墨烯片层间距增加,从而导致膜的溶胀现象发生,GOM的选择性下降,稳定性变差,严重限制GOM的广泛应用。同时,GOM的分离过程受Tradeoff效应的制约,很难同时提高GOM的选择性以及通量。本文以PET核孔膜为基底材料,通过加压过滤以及真空抽滤的方式制备GOM。其中加压过滤相比于真空抽滤可以提供更大的压力差,增强液体流动的剪切力,使GO纳米片层的排布更加平整、紧密。所以在氧化石墨烯用量相同的条件下,加压过滤能获得覆盖更均匀、表面形貌更平整的超薄GO功能层。本工作依托兰州重离子研究装置(HIRFL)辐照改性GOM,研究了不同辐照参数,如辐照注量以及离子能损,对GOM的形貌、结构以及纳滤性能的影响。重离子辐照后的GOM,膜表面含氧官能团数量降低,整体含氧量减少,表现为GOM被还原。同时,片层间距降低,使得辐照后GOM的选择性增强,对不同盐离子的截留率增加,膜的稳定性增加。GOM的还原程度随着重离子的注量以及能损的提高而增加。同时由于快重离子束具有较高的能损,高注量的快重离子辐照,会在膜表面引入更多的垂直纳米孔道,以提升其通量。所以,重离子辐照改性GOM会同时提升离子选择性与通量,为纳滤膜的改性提供了一种新的精准可控方式。本文通过测试GOM的镁锂分离性能以及重金属盐的分离来探索GOM更多应用场景。在镁锂分离实验中,辐照后的GOM对氯化锂以及氯化镁的单盐溶液的截留率都有所上升,归因于辐照还原带来的片层间距降低,但同时上升的截留率不利于镁锂分离混盐的分离比提升。在重金属盐离子分离过程中,由于GO纳米片层间距降低,对于不同重金属盐离子的选择性都有所增加,因此辐照改性GOM可以应用在重金属盐分离领域,并且广阔的应用前景和优化提升空间。综上所述,本文通过加压过滤制备超薄平整的氧化石墨烯纳滤膜,通过重离子辐照改性GOM。重离子辐照改性GOM同时实现辐照还原带来的截留率和稳定性的提升,以及重离子束构建的垂直孔道带来的通量提升,为氧化石墨烯纳滤膜的改性提出了一种新的优化策略。

关键词： 弹道极限   约化热导   转角双层石墨烯   数带法   各向异性  

摘要： 如今,热管理成为了微型电子器件发展的重要挑战之一,对低维材料中的热输运性质的研究也就成了重要的课题。由于晶格失配或转角,同种/不同二维材料堆垛起来的结构可能会形成莫尔图样,通过调节转角既可以保留其本征性质,又可以产生新的性质,因此转角成为调控物理性质的重要手段。在本文中,我们将使用经验势方法结合朗道尔(Landauer)公式,研究转角双层石墨烯(Twisted Bilayer Graphene,T-BLG)面内热输运的弹道输运极限。 首先我们以单层石墨烯为例,描述了热导计算的整个流程,测试对计算过程起重要作用的参数并说明其影响。并将计算得到的石墨烯热导率与实验/理论中单层石墨烯的热导率做对比,证明了计算方法的有效性。 然后,我们对双层石墨烯(Bilayer Graphene,BLG)不同转角下的面内热输运性质进行了研究,我们发现随着原胞增大,数带法中沿输运方向的撒点数需要测试,且计算量随着转角的减小而急剧增大。大转角时不同转角中的面内约化热导差别很小,这说明所选取的Lennard-Jones(LJ)势作用下,双层石墨烯层间相互作用很弱。 最后,与传统计算方法中通过改变结构构型来改变输运方向不同,我们通过对数带法的拓展,提出了在同一的原胞中改变输运方向的方法。使用该方法计算单层石墨烯不同方向热输运性质,发现在室温下其有大约1.5%的约化热导本征各向异性;其次计算转角双层石墨烯中层间转角为21.79°和13.17°结构面内热输运性质,结果说明其中也存在热输运本征各向异性,室温下21.79°和13.17°转角的约化热导各向异性分别大约为0.54%,0.94%。 本文拓展了计算材料中不同输运方向弹道极限约化热导的方法,与之前的方法相比,不需要改变计算构型便可以求出体系不同输运方向的本征约化热导。本文对转角双层石墨烯热输运性质进行了研究,为纳米尺度上转角对双层石墨烯热输运的影响提供了弹道输运极限下的计算结果,也为计算不同输运方向的弹道输运约化热导计算提供了新的方法。