关键词： 微晶纤维素   乳酸   CuxSnSO@GO气凝胶   光催化  

摘要： 纤维素是地球上含量最丰富的天然聚合物,因其具有可生物降解、生物相容性、可再生和无毒等特点被认为是生产生物化学品的主要聚合物。目前,以纤维素为初始原料,通过光催化转化工艺生产乳酸的研究相当有限。乳酸作为工业生产各种商品的必须原料,在工业上有着广泛的应用。本文通过纤维素混合酶（Cellic CTec-3）对纤维素进行酶解预处理,并将其光催化重整产乳酸。 本文通过水热和冷冻干燥方法制备了一种新型多孔气凝胶CuxSnS2@GO,通过水热合成将铜掺入半导体材料SnS2,并锚固在氧化石墨烯上,再经冷冻干燥制成气凝胶。首先探究了铜的掺杂比例以及反应介质对纤维素酶解液光催重整产乳酸效率的影响。当铜的掺杂比例为x=0.06时,即Cu0.06SnS2@GO,能够达到最佳的催化效率。然后通过傅里叶红外（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱仪（XPS）、紫外-可见漫反射光谱仪（UV-vis）、电子顺磁共振（EPR）以及比表面积分析仪（BET）对材料进行表征,结果表明铜成功的掺入到SnS2结构中,产生表面硫缺陷,改变了SnS2的带隙,提高了SnS2的光催属性,乳酸的最佳收率为65.4%。 通过煅烧工艺制备了CuxSnSO@GO,原位生成“Z”型Cux SnS2-Sn O2异质结,改善了光生电子和空穴的分离效率,显著提高了光催化效率。然后通过FT-IR、SEM、TEM、XRD、XPS、UV-vis、光致发光光谱（PL）以及BET对材料进行表征。探究了煅烧时间、催化剂投加量、反应时间等对乳酸产率的影响。结果表明,通过煅烧原位生成的“Z”型Cux SnS2-Sn O2异质结可以进一步提升乳酸的产率,最佳乳酸产率为77.5%。 最后对光催化产乳酸的机理进行研究,进行了一系列实验,研究不同反应条件对乳酸产量的影响。另一方面,通过一系列设计的实验,定量探讨了各种活性自由基对不同初始反应物（果糖、甘油醛和丙酮醛）中乳酸的选择性的贡献。结果证实·O2-、·OH-、h+对乳酸生成的贡献分别约为56.8%、25.3%和7.1%。采用密度泛函理论计算（DFT）研究了C-C键在转化过程中的选择性断键,采用Fukui函数估计不同C-C键在活化自由基攻击下的反应性。同时,通过电子顺磁共振（ESR）、光电流响应（i-t）、交流阻抗（EIS）、线性扫描伏安法（LSV）对材料的光催化属性表征分析。阐释了微晶纤维素选择性转化乳酸的原因。

关键词： 太赫兹   超材料   石墨烯   吸收器   可调谐  

摘要： 太赫兹(Terahertz,THz)波是指频率为0.1THz至10THz、波长30μm到3000μm之间的一种电磁波,其拥有诸如宽带性、低能量、穿透性、高分辨率等特性,在生物医学、电磁隐身、太赫兹成像、高数据通讯等领域有着广泛的应用前景。超材料是一种人工合成的、自然界中不存在的新型复合材料,基于超材料的吸收器是其研究领域的一个重要部分。本文基于石墨烯超材料提出了两种可调谐的太赫兹吸收器,利用COMSOL Multiphysics进行数值仿真计算,同时结合多重反射干涉理论(MRIT)以及阻抗匹配原理进行对比研究。本文从多个方面对所提出的太赫兹吸收器开展研究,主要内容如下:(1)提出了一种由“破缺车轮”型石墨烯图案组成的可调谐双频带太赫兹吸收器,研究了石墨烯化学势、弛豫时间、几何结构、入射角和极化角对吸收性能的影响。同时,通过石墨烯超表面的电场分布分析了吸收频带的形成机理,并且结合阻抗匹配原理与多重反射干涉理论对仿真结果进行了理论验证。另外,通过改变自由空间的折射率,讨论了超材料吸收器在折射率传感器领域的应用。(2)在单层石墨烯吸收器的基础上提出了双层石墨烯阵列结构的可调谐三频带太赫兹吸收器。仿真结果表明,在给定参数下,分别在频率为1.45THz、2.18THz和3.77THz处得到了三个吸收率均超过96%的吸收峰。同时通过电场图对三个吸收峰的产生机理进行了解释并对仿真结果进行了理论验证。该双层石墨烯吸收器可以通过单独改变其中一层石墨烯的相关参数,实现对吸收性能的独立调控,具有十分灵活的调制性能,并且具有宽角度入射以及偏振角不敏感特性。基于该吸收器良好的多频段吸收功能,在高质量折射率检测、电磁隐身和光学传感等领域拥有广泛的应用前景。

关键词： 石墨烯   声学传感器   语音识别   语音增强  

摘要： 语音交互在生活中逐渐成为了一种十分重要的人机交互方式,语音作为人们最自然便捷的发布指令方式,弥补了肢体交互在特定情境下的不足,然而语音识别作为语音交互的基础,至今仍面临着易受噪声干扰的问题,这限制了其在嘈杂环境如工业生产、军事指控中的应用。本文提出利用可穿戴柔性石墨烯麦克风和语音增强算法实现在嘈杂环境中的精准语音识别,分别在传感器和算法方面提高语音识别的抗噪声能力。石墨烯作为一种二维纳米材料,具有极低的质量和超高的机械强度,这使其在声学探测领域具有巨大的优势,同时优良的韧性可令其与柔性材料结合制成柔性声学传感器,但是制备高质量石墨烯目前仍然价格昂贵,难以大规模生产。本文采用一种低成本的激光诱导石墨烯制备方法,成功制得了石墨烯柔性麦克风,该方法牺牲了部分高频声音探测性能,但工艺简单,价格低廉,经过声学性能测定,其远远满足本文的语音信号采集需求。石墨烯柔性麦克风可贴敷于喉部表面实现微弱声波和机械振动的有效采集,在传感器层面提高了信号的信噪比,具备更好的抗噪能力。本文在石墨烯麦克风上设计与实现了三种语音指令识别算法,分别为传统匹配算法和1维卷积网络、卷积循环网络,其中卷积循环网络在语音识别准确率和灵活性上表现最优。针对本文的语音指令识别系统,我们设计了轻量化的语音增强网络SEnet,其采用了编码器-解码器的经典框架,添加了跳过连接、循环单元和门控线性通道等机制,实现了模型性能的改进优化,此外,利用深度可分离卷积进一步降低模型的参数量和计算开销,SEnet较基准模型在语音增强性能上显著提升,且参数更少。将SEnet用于石墨烯麦克风降噪,对低信噪比语音信号的识别准确率明显上升,进一步提高了语音系统的稳定性。

关键词： 大气压射流等离子体   针-环-板电极结构   石墨烯   射流等离子体阵列  

摘要： 本论文主要开展了大气压射流等离子体放电特性研究及其对氧化石墨烯材料的还原处理。在对大气压射流等离子体放电特性的研究中,首先选择了对普通单管针-环-板结构的射流进行研究,通过实验研究和数据整理,拓展出了具有更大处理面积和更强放电强度的单管漏斗型射流等离子体装置,讨论了该装置在针-环-板结构和针-板结构下,在不同氩气流量和外加电压条件下的放电特性,并且使用该装置对碳纳米管粉末进行了初步的处理尝试。最后,由漏斗型单管改进为射流等离子体阵列,该阵列装置可以拆分调节单管和多管放电模式,分别研究了单管和多管的气体放电特性之后,使用该阵列装置对氧化石墨烯进行还原处理。详细的研究内容如下:(1)首先在普通针-环-板结构的单管通入氩气的情况下,通过记录电压电流和光谱数据,研究普通单管射流等离子体在不同的外加电压、不同的气流量和不同针环间距下的放电特性,详细讨论其电压电流波形和功率,以及光谱强度。研究结果显示,不同的实验条件对普通单管射流等离子体影响非常大。外加电压的增大会使射流放电增强,功率增大,各活性粒子的谱段强度和转动温度都随之增加;氩气气流量的增大会使击穿电压随之降低,转动温度因气流带走一部分热量而降低;针环间距则可以控制射流到达底玻璃板的程度,在针环间距较小时,射流无法到达底玻璃板,而随着针环间距增加,放电击穿所需的能量也在增加。(2)为了能更好地处理粉末状材料,普通针-环-板结构单管被改进为漏斗型针-环-板结构单管,并对其电压电流和光谱特性进行了研究。研究结果显示,针-环-板结构比针-板结构更易放电,放电也更稳定。漏斗型单管在低电压和低气流量时放电都很弱,随着电压和气流量的增大,放电强度和光谱强度均随之增大。(3)为了将粉末或小颗粒状的材料放置在一个近似密闭的容器中,设计了可选择单管和多管放电模式的漏斗型阵列结构,以适应不同的加工环境。通过测量它的电压电流和光谱特性,得到电压电流波形、功率、光谱强度和转动温度,推测出材料处理的最佳参数。(4)根据之前的研究,本文总结出了普通单管、漏斗型单管、漏斗型阵列的放电特性,然后先用漏斗型单管对碳纳米管粉末进行了初步的处理尝试,结果发现经过改性处理后的碳纳米管表面变得更加粗糙,同时也增强了疏水性。最后,在漏斗型阵列的腔体中放入氧化石墨烯进行还原处理,通过结果分析,氩气射流等离子体增强了石墨烯表面的缺陷,水接触角增大,增加了疏水性,去除了含有氧的官能团。

关键词： 锂离子电池   负极材料   原位XRD   密度泛函理论  

摘要： 随着人类社会的快速发展，电子产品、通讯和电动汽车等领域对储能装置的能量密度需求不断提高，因而，实现更高的能量密度已成为下一代锂离子电池的发展方向之一。采用具有更高比容量的负极材料是实现高能量密度的重要途经。过渡金属硫化物和磷化物类负极材料由于具有较高的比容量，引起了研究者的广泛关注。然而该类材料的循环稳定性较差，严重限制了其进一步应用。本文旨在通过构建纳米结构、异质结构和缺陷结构来改善具有过渡金属硫/磷化物负极材料在充放电循环过程中的结构稳定性，系统研究微结构变化对电极材料的电化学锂存储机理的影响，揭示材料微结构与电化学性能之间的相关性。本论文主要从以下四个方面进行了研究。　　1.设计并制备了CoS2@rGO(命名为CSG)异质界面纳米复合材料。电化学性能表征发现CSG在0.2C条件下循环100周后仍有739mAhg-1的放电比容量，在3.0C条件下循环305周后仍能提供288mAhg-1的放电比容量。这主要归因于rGO对CoS2纳米颗粒的锚定作用，既能防止CoS2纳米颗粒的团聚，又能提升复合材料的电子导电率，有利于提高电极材料在充放电循环过程中的结构稳定性。通过电化学测试，证实该复合材料具有赝电容特性，具有优异的储锂性能。此外，我们通过原位X射线衍射（XRD）研究了复合材料的存储锂机制，并对其反应机理进行了解释与验证。　　2.以PVP为碳源和氮源合成了Co1-xS@NC@rGO(命名为CSCG)含氮掺杂碳纳米复合材料。Co1-xS纳米颗粒被包封在三维多面体N掺杂碳中，然后再锚定在还原氧化石墨烯表面。高分辨透射电镜（HRTEM）和原位XRD结果表明，CSCG是多晶的纳米复合材料。电化学性能测试表明CSCG电极材料具有高的可逆放电容量和良好的倍率性能，在0.2C条件下，循环200周后容量为937mAhg-1，2.0C，循环500周后容量为596mAhg-1。含氮掺杂碳的包封作用及还原氧化石墨烯的锚定有效缓冲了充放电过程中材料的体积的变化，抑制Co1-xS在循环过程中的破碎和聚集，利于延长材料的循环寿命。此外，利用原位XRD对该复合材料的电化学反应机制进行了研究，结果显示此材料在充放电过程中发生了嵌入和转化两个过程。最后，结合DFT计算，得出结论：N的引入所产生的异质结构界面耦合作用，降低了Li+的扩散势垒，增加了Li+的扩散速率，从而促进电化学反应的进行。　　3.以环境友好型生物分子L-半胱氨酸为硫源，成功制备了含有S空位的FeS2@rGO（命名为FSG）缺陷结构纳米复合材料。与纯相FeS2纳米材料进行对比，FSG纳米复合材料在不同倍率下循环稳定性良好：0.2C条件下，电池循环150周后仍具有826mAhg-1的放电比容量，在5.0C条件下，循环500周后具有410mAhg-1放电比容量。此外，利用原位XRD测试分析了电化学储能的反应机理。最后结合密度泛函理论（DFT）计算，探究锂离子在不同路径上的迁移扩散势垒，其中含有S空位FSG中锂离子的扩散势垒低于纯FeS2纳米材料中的扩散势垒，证实了形成的S空位在一定程度上提高了复合材料的电子导电率和Li+离子迁移速率，这有利于提升材料的倍率性能。　　4.以三聚氰胺和葡萄糖为氮源和碳源制备了胶囊型FeP@NC@rGO纳米复合材料（命名为FPCG）。在这种复合材料中，具有胶囊形状的FeP@C纳米晶体均匀地分散在二维N掺杂石墨烯上。引入的N掺杂石墨烯在纳米复合材料中起到导电桥的作用，提高了FeP@C纳米颗粒的导电性。FPCG复合材料显示出优异的倍率性能。在0.2C和5.0C时，其放电比容量分别为1933mAhg-1和1333mAhg-1。此外，在0.5C时，循环500周后，FPCG表现出67%的容量保持率。利用原位XRD测试技术探究了FPCG复合材料的充放电反应机理。　　本论文的研究内容，不仅提供了设计和构筑高比容量过渡金属基锂离子电池复合负极材料的新思路，而且深入探究了复合材料电化学反应机理，为研究开发高比容量锂离子电池负极材料提供实验依据和理论支持。

关键词： 石墨烯   填料改性   分子动力学   丁腈橡胶  

摘要： 丁腈橡胶（NBR）含有极性腈基，具有良好的耐油耐热性，在汽车零部件及密封圈领域应用广泛。随着技术升级，现有的高耐油性丁腈橡胶往往在耐磨性与力学性能上表现欠佳，导致其在使用过程中橡胶寿命较短、存在安全隐患、造成了资源的浪费。研制具有优异耐油性、良好的力学性能与耐磨性能的NBR显得尤为重要。本文通过改性填料补强NBR来提高其力学性能、永久压缩变形、导热及耐油性能，并采用分子动力学模拟技术探究填料对NBR性能的影响。主要研究内容包括以下几个方面:　　首先使用3-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）对二氧化硅（SiO2）改性后补强橡胶、石墨烯纳米片（GNP）与SiO2作为复合填料补强橡胶以及使用KH550改性SiO2与石墨烯复合填料后补强NBR。结果表明:当KH550含量为SiO2填料的2wt％时，与SiO2/NBR硫化胶相比，KH550/SiO2/NBR硫化胶拉伸强度从13.10MPa增加到20.46MPa,增加55.36％;断裂伸长率从995.42％提升到1429.66％,增加43.61％;150℃×70h条件下的永久压缩变形率从56.77％下降至28.41％。使用GNP与SiO2作为复合填料，当GNP含量为复合填料的6wt％时，GNP/SiO2/NBR硫化胶力学性能与压缩形变性能最佳:相较于SiO2/NBR硫化胶，其拉伸强度从13.10MPa增加到22.65MPa,提升72.90％;断裂伸长率从995.42％增加到1503.14％,提升51.01％;硫化胶的压缩永久变形率从56.77％下降到22.72％。当GNP含量为GNP/SiO2的3wt％,使用复合填料2wt％的KH550改性后补强NBR,其硫化胶的拉伸强度从13.10MPa增加到26.68MPa,提高103.66％;断裂伸长率从995.42％提升到1610.03％,提高61.81％;150℃×70h条件下永久压缩变形率从56.77％下降至18.24％。　　其次为降低复合填料在橡胶基体中的团聚程度，本文使用环氧树脂（EP）在石墨烯纳米片表面原位生长包覆，形成环氧包覆石墨烯结构的改性石墨烯填料（GNP/EP）。将GNP/EP与改性SiO2复配作为复合填料加入到橡胶基体中并研究其对NBR力学性能、压缩形变、导热等性能影响。研究结果表明:当使用复合填料3wt％GNP/EP与改性SiO2作为复合填料补强NBR后的硫化胶综合性能最好:相较于SiO2/NBR硫化胶，其拉伸强度从13.10MPa提高至32.45MPa,提高了165.11％;断裂伸长率从995.42％提升至1819.56％,提高了88.49％。在150℃×70h高温压缩永久变形测试中，使用GNP/EP补强的NBR硫化胶压缩变形率仅为9.11％,使用相同质量未改性GNP与改性SiO2做复合填料形变率为19.36％;仅使用SiO2补强NBR硫化胶永久压缩变形率为56.77％。当改性石墨烯含量为复合填料的12wt％时,垂直方向上的NBR硫化胶导热系数从0.22W·m-1·K-1升至0.34W·m-1·K-1，相较于未改性，导热性能提高35.29％。改性石墨烯的加入使得硫化胶烧焦时长增大，硫化时长减小，既增加了橡胶加工过程中的安全性，也提高了硫化效率，改善了加工性能。　　最后本论文使用分子动力学模拟研究了NBR链结构以及填料对NBR力学及导热性能的影响。结果表明:随着NBR分子链聚合增大，丙烯腈含量增多时，NBR玻璃化转变温度升高、力学性能变好。当SiO2或石墨烯作为填料，其在NBR中数量越多且越分散时，NBR力学性能越好。导热结果表明:在石墨烯/NBR复合模型中增加石墨烯数量、提高其在橡胶中的分散性有利于提高石墨烯/NBR复合模型的导热性能。本文从宏观及微观角度探究了填料对NBR性能的影响，为制备出高强耐压的丁腈橡胶提供了实验及理论参考。

关键词： 波长探测器   硅基   光电流比   单调函数   肖特基结  

摘要： 波长探测器是一种可以定量检测入射光波长的光电子器件,在无损分析技术,生化分析,医学诊断程序和光谱仪等领域得到了广泛的应用。但传统波长探测器存在器件结构复杂,探测范围窄,精确度低等缺点。因此,为了解决上述问题,本论文提出利用波长依赖的吸收系数,采用合适厚度的硅衬底构建背对背结构基于石墨烯/硅/石墨烯的宽范围高精度波长探测器。具体研究内容如下: 1.通过Synopsys Sentaurus技术计算机辅助设计(TCAD)工具协助分析硅衬底的光吸收率和光子生成率。理论研究发现,短波长的入射光仅在硅衬底的前表面被吸收,随着波长的增大,硅衬底的背面逐渐开始光吸收。 2.在硅衬底的前表面和背面分别构建了石墨烯/硅/石墨烯光电探测器(PD1和PD2),电学测试表明PD1对810 nm左右的入射光展现出最大的光响应,PD2的响应峰值为970 nm。PD1在810 nm响应度为0.18 A/W,比探测器率为1.36×10～9Jones,外量子效率为28.5%。 3.采用背对背结构,利用PD1和PD2构建了石墨烯/硅/石墨烯波长探测器。通过两者完全不同的光谱响应,光电流比值和入射光波之间的关系可以拟合为一个单调函数,通过它可以定量探测260-1050 nm的入射光波长,分辨率为1 nm。研究发现光强对波长探测器准确度影响较大,随后引入光强变量,并拟合光强、入射光波长和光电流比值三者之间的单调函数,进一步提高准确度。

关键词： 氧化石墨烯   石墨烯量子点   接枝交联   分离膜   染料分离  

摘要： 随着生活水平的提高,人们对生存环境的要求的越来越高,人们愈加追求绿水青山的生活环境,防范治理环境污染已成为社会治理的应有之义。而社会的发展必然伴随着工业的发展,工业的发展不可避免会产生大量的工业废水,其中染料废水就是其中之一。本论文提供了一种针对染料废水的处理方式,以石墨烯基材料为切入点,利用石墨烯基材料众多优异的特性,对石墨烯基材料进行改性后制备分离膜用以分离染料,减少染料废水对环境的污染。目前研究者们已经开发出大量改性石墨烯基分离膜的方法。其中用的较为广泛的是通过掺杂其他物质来增强石墨烯基分离膜的渗透通量和分离性能,这也是较为简单易于操作的方法。但是石墨烯基分离膜存在的稳定性差和应用范围较窄的问题并没有得到合理的解决。因此本文通过接枝交联来提升石墨烯基分离膜的稳定性,并且接枝具有p H响应性的聚合物链既能拓宽石墨烯基分离膜的应用范围,又能提升分离膜对染料的分离性能。本文运用了多种表征方法对膜材料和性能进行测试,系统详细的讨论了分离膜对不同类型染料的分离性能。具体内容分为三部分:（1）首先,采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯（GO）,接着用乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）对GO进行改性得到表面引入双键的氧化石墨烯（GO-VTES）,然后将聚丙烯酸（PAA）接枝到GO-VTES上,制备接枝聚丙烯酸链的氧化石墨烯（GO-PAA）。通过真空抽滤法制备GO-PAA分离膜,并且探究了GO-PAA分离膜对阴离子染料和阳离子型染料的分离性能,以及p H和丙烯酸加入量对染料分离效果的影响。GO-PAA分离膜对阴离子型染料和阳离子型染料均表现出高达99%以上的分离效果。并且GO-PAA复合膜在碱性条件下的分离效果尤其好。（2）在（1）制备的GO-VTES基础上,我们选择了两种阳离子型单体,二烯丙基二甲基氯化铵（DDA）,以及烯丙基三甲基氯化铵（ATA）和丙烯酰胺（AM）。探究了GO-PDDA和GO-P（ATA-co-AM）分离膜对阴离子染料和阳离子染料的分离性能,以及p H和单体加入量对染料分离效果的影响。分离膜GO-PDDA和GO-P（ATA-co-AM）,对阳离子染料的截留效果达93%以上,对阴离子染料的吸附分离效果达91%以上。并且最高的水渗透量高达326.43 L·m-2·h-1·bar-1。（3）最后,在上述实验的基础之上,我们以GO为前体制备石墨烯量子点（GQDs）,同样用VTES对GQDs进行改性得到GQDs-VTES,再将聚丙烯酸接枝到改性后的石墨烯量子点上制得GQDs-PAA,探究丙烯酸的加入量和接枝密度对染料分离效果的影响。真空抽滤制备GQDs-PAA分离膜,其中GQDs-PAA1.5对刚果红（CR）的截留效果有90%,而对罗丹明B（Rh B）的吸附分离效果有85%。不同PAA接枝密度时纯水渗透量最高为99.27～118.73 L·m-2·h-1·bar-1。

关键词： 石墨烯电热膜   FLUENT仿真   涂布均匀性   烘箱效率   误差补偿机构  

摘要： 石墨烯电热膜采暖拥有环保、方便、安装简单和经济等诸多优势。涂布,作为石墨烯电热膜制造的重点工序之一,直接影响着石墨烯电热膜产品的最终性能。目前国内石墨烯电热膜常用的涂布工艺以凹版印刷为主,而对于新型的狭缝涂布工艺还未完全掌握。相对于凹版印刷,狭缝涂布具有调整湿膜厚度方便、涂布精度高、涂布速度快、自动化程度高等优点,因此发展狭缝涂布工艺能有效提高企业生产效率和竞争力。1.基于山东某工厂石墨烯电热膜智能产线改造项目进行研究,鉴于国内外对狭缝涂布工艺和烘干装置的前期研究以及在锂电新能源行业的成功应用,对生产线进行了改进设计,并对供料系统的关键设备进行选型。2.使用SolidWorks软件三维建模,并用FLUENT软件对狭缝涂布模头和烘箱进行流场分析,通过Minitab软件对实验数据进行分析,找到基于生产范围内涂布珠稳定的最佳工艺组合。研究针对烘箱风场效率的多个影响因素,分别找出了各个影响因子的比例大小。3.为提高石墨烯电热膜生产线的自动化水平,根据电热膜的组成和材料特性从理论上分析刮刀的受力过程,设计了一种误差补偿机构,成功开发了一种基于石墨烯电热膜自动化生产的热熔刮膜装置。本文通过仿真和实验相结合的方式,对石墨烯电热膜工艺系统的关键技术进行研究,验证了其理论分析的合理性。并且为后续的自动化产线优化和石墨烯电热膜的生产奠定了基础。