氧化石墨烯界面调控纳滤膜制备及性能研究

为提高传统聚酰胺纳滤膜渗透性能和抗污染性能,文章以聚砜(PSF)超滤膜为基材,以哌嗪、均苯三甲酰氯为水相和有机相单体,引入氧化石墨烯(GO)作为亲水改性材料,通过界面聚合法制备氧化石墨烯复合纳滤膜(GO-PA-PSF膜),研究GO占比对膜表面形貌、化学结构及分离性能的影响。结果表明,当GO质量分数为0.01%时,GO-PA-PSF膜表面开始出现褶皱,膜表面粗糙度、亲水性和负电性增强,其渗透通量为50.47 L/(m^(2)·h),对Na_(2)SO_(4)的截留率为98.14%,在30 h脱盐试验中保持良好的稳定性,对3种模型污染物的抗污染性能有所提升。

改性球形氧化铝/褶皱结构石墨烯导热硅橡胶的制备及性能

面对5G时代,高功率化、集成化设备器件的热管理已成为影响性能的关键因素,热管理技术的飞速发展对导热界面材料的柔软性、绝缘性、导热性及可靠性等提出了更高的需求。以二维片状石墨烯(GNP)和不同粒径的球形氧化铝(Al_(2)O_(3))为导热填料,对其进行改性以改善填料在硅橡胶基体中的分散性,增强界面间结合,减少界面热阻。然后采用热压原位固化工艺,利用球形Al_(2)O_(3)将各向异性的GNP形成褶皱结构,制备了改性球形Al_(2)O_(3)/褶皱结构石墨烯导热硅橡胶复合材料。探讨了导热填料的含量、复合材料样品厚度等对导热硅橡胶复合材料综合性能的影响。结果表明,当复合材料样品厚度为0.8 mm,GNP质量分数为8%,Al_(2)O_(3)质量分数为50%时,复合材料面内热导率可达12.058 W/(m·K),面外热导率可达5.097 W/(m·K)。复合材料具有较好的柔性,添加GNP和Al_(2)O_(3)后,断裂伸长率均超过120%,最高可达171.68%。另外,在GNP质量分数为5%,Al_(2)O_(3)质量分数为50%时,当调节复合材料厚度为2 mm时,其击穿电压能够达到3.5 kV,满足一定的绝缘性能要求;此时面内热导率为1.979 W/(m·K),面外热导率为1.231W/(m·K)。与传统共混浇铸制备的硅橡胶片相比,该策略能够形成互联导热网络以获得高导热性能硅橡胶片,在大功率电子器件领域具有巨大的应用前景。

石墨烯/氧化石墨烯与水化硅酸钙界面粘结性能研究

石墨烯/氧化石墨烯在水化硅酸钙基底上的脱粘行为会直接影响胶凝复合材料的性能,然而传统实验较难实现脱粘效果,为了明确石墨烯/氧化石墨烯的脱粘特性,本文通过分子动力学方法在纳米尺度下研究石墨烯/氧化石墨烯在水化硅酸钙基底上的脱粘行为。结果表明,随着温度升高,石墨烯/氧化石墨烯的粘结性能降低,与石墨烯相比,温度变化对氧化石墨烯粘结性能的影响更大,在氧化石墨烯中,环氧基氧化石墨烯受到温度变化的影响最小。影响粘结性能的主要因素是石墨烯/氧化石墨烯与水化硅酸钙间的范德瓦耳斯力和库仑作用。高浓度和边缘位置的官能团可以显著增强粘结性能,不同官能团对粘结性能的增强效果依次为羧基、羟基、环氧基。

石墨烯添加剂与电流密度对铝锂合金阳极氧化膜层耐蚀性能的影响

本文以Al-Li-Cu-Mg合金为研究对象,在混酸电解液体系下进行阳极氧化处理,制备不同电流密度以及石墨烯掺入后的氧化膜。通过SEM、XRD、EDS等分析测试手段分析了各参数下膜层的表面与截面形貌、元素、物相组成等,并通过电化学工作站等仪器分别分析了膜层的耐蚀等性能。研究不同电流大小与石墨烯掺入后对膜层性能的影响机制。结果表明:电流密度的增加会使得材料膜层的厚度先增后减、缺陷增加,耐蚀性能先增后减,阳极氧化膜耐蚀性能最佳电流密度为15 A/dm^(2)。同时石墨烯的掺入会降低膜层耐蚀性,阳极氧化膜腐蚀电流密度为4.898×10^(-7)A·cm^(-2)。

物理化学综合实验设计:氧化石墨烯对盐酸四环素的吸附

本文通过借鉴CDIO工程教育理念,从四个方面对实验进行了改革,使简单的验证性实验转变为综合性实验。首先,构思(Conceive)具有专业特色的实验体系。以氧化石墨烯对盐酸四环素的吸附代替活性炭在醋酸中的吸附,增强实验内容的专业性及社会意义;其次,设计(Design)综合实验方案。提高实验的可操作性和实验结果的稳定性;再次,实现(Implement)学生自主可控的实验过程。提高学生的实验主动性和科学思维的养成;最后,实施(Operate)科学合理的实验过程。在注重实验操作的同时,引导学生运用相关理论知识解决实验问题,使理论与实验有机结合,从而提高实验课的教学效果。

温度及预紧载荷对氧化石墨烯无石棉垫片蠕变松弛和泄漏率的影响

垫片在高温长期使用过程中发生蠕变松弛导致垫片应力下降,从而影响密封效果。因此,采用理论模型预测垫片的蠕变松弛与确定垫片在高温环境长期使用过程中泄漏率的变化规律非常重要。通过实验测试氧化石墨烯无石棉垫片在不同温度和不同预紧载荷下的垫片应力值,并与根据Burgers模型计算出的垫片应力值进行对比。然后,通过建立泄漏率与使用时间的关系,提出氧化石墨烯无石棉垫片在不同温度和不同预紧载荷下长期使用时的泄漏率计算方法,并计算出该垫片随时间变化的泄漏率变化规律。结果表明:垫片应力的松弛量随着预紧载荷的增加而增加;随着使用时间的增加,垫片的应力松弛变得更加平缓;当预紧载荷相同的情况下温度越高垫片应力下降越明显;Burgers模型对垫片应力的预测值与实验值吻合度很好,最大误差为4.4728%;当温度一定时,氧化石墨烯无石棉垫片计算的泄漏率随着预紧载荷的增加而降低;当预紧载荷相同时,垫片的泄漏率随着温度的增加而增加,且泄漏率均小于密封等级T2的泄漏率2×10^(-3) mg·s^(-1)·mm^(-1)。研究结果为氧化石墨烯无石棉垫片在高温环境长期使用过程密封性能应用提供依据。

氧化石墨烯/聚酰亚胺相互作用及反应路径的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法,建立了氧化石墨烯(GO)和聚酰亚胺(PI)的模型,探究了GO/PI复合体系中的界面相互作用,以及在2873、3073和3273 K温度下GO与PI之间的反应路径。通过分析相互作用构型演变过程、时间/相互作用能曲线和温度/相互作用能曲线,揭示了GO与PI之间存在着较强的界面相互作用,这主要源于它们都具有sp2杂化的π共轭结构。ReaxFF分子动力学模拟了GO/PI复合体系在高温下可能的反应路径,结果表明在高温下GO转变为还原GO(rGO),PI发生热解并主要引发酰胺键的断裂,形成的碳团簇碎片上的N、O活性点位与rGO发生共价键连接,并进一步促成rGO边缘新结晶碳簇的形成。温度的升高可以促进GO/PI复合体系中rGO的结晶度的增加,对rGO上的元素及碳环数量进行了分析显示rGO上新增的6元环数量由2873 K的142.1%增加到3273 K的195.3%。该研究揭示了GO/PI复合材料在高温下反应的过程,为研究高性能石墨烯膜的制备提供了重要的理论支撑。

氧化石墨烯的尺寸对碳纤维/环氧树脂湿热界面性能的影响

通过Hummers法获得两种尺寸的氧化石墨烯(GO),利用模压成型制备GO改性碳纤维增强环氧树脂复合材料(GO/CF/EP),并对复合材料进行湿热处理,利用层间剪切性能、动态热机械性能和微观形貌分析室温干态和湿热处理后复合材料的改性效果。结果表明:GO对复合材料的层间剪切强度和玻璃化转变温度均具有良好的改善作用;室温干态时两种尺寸GO对复合材料层间剪切强度的改善效果基本相同;随GO含量增加,小尺寸GO使复合材料的湿热层间剪切强度下降更快,GO含量为0.1%(质量分数,下同)时对复合材料的层间剪切性能改善作用较好,而GO含量为0.2%时对复合材料的玻璃化转变温度改善更好。随GO含量增加,GO-EP复合树脂基体的放热峰向低温移动,小尺寸GO使复合树脂的凝胶时间变短。微观形貌分析表明,GO的存在有利于增加复合材料破坏时的裂纹扩散路径,从而更有助于材料耗散裂纹尖端能量。

氧化石墨烯对再生砂超高性能混凝土力学及抗氯离子渗透性能的影响

鉴于再生砂(RS)部分取代石英砂(QS)制备再生砂超高性能混凝土(RS-UHPC)的力学性能和耐久性降低的问题,以不同氧化石墨烯(GO)掺量为试验参数,探究GO对UHPC工作性能、力学性能及抗氯离子渗透性能的影响规律,并通过差热-热重分析和扫描电子显微镜等手段揭示其增强机理。结果表明:掺入RS会降低UHPC的流动度、力学性能及UHPC抗氯离子渗透性能;随着GO掺量的增加,RS-UHPC流动度逐渐下降,但其力学性能、抗氯离子渗透性能均显著提升,当GO质量分数为0.06%时,RS-UHPC的28 d抗压强度和抗折强度分别提升11.8%和49.6%,氯离子扩散系数降低31.8%,抗裂韧性显著提升。RS的内养护效应和GO的晶核效应均促进水泥水化、降低基体孔隙率、改善再生砂与基体的界面过渡区,从而提升RS-UHPC的力学性能、抗裂性能和抗氯离子渗透性能。

基于分子动力学的氧化石墨烯对PVA纤维-CSH界面影响机理研究

纤维增强混凝土的宏观力学性能与纤维/基体的界面结合密切相关。本文通过分子动力学模拟,研究氧化石墨烯(GO)对聚乙烯醇纤维(PVA)/基体界面结合的影响。结果表明,当GO与PVA纤维以共价键连接时,PVA纤维从混凝土中被拉出所需的拉力最大,GO的存在能提升纤维与基体的界面黏结性能。混凝土基体与GO主要以钙氧键和氢键连接,其中钙氧键数量多且化学键强度高。但GO与PVA纤维物理连接时,GO与PVA纤维仅依靠强度较弱的氢键连接,对界面的黏结性能带来负面作用。此外,GO受到更多离子键和氢键的束缚,原子平移运动减少,与基体的界面黏结性能提高。

三聚磷酸铝/氧化石墨烯复合材料在水性防腐涂料中的应用

采用球磨分散法制备得到三聚磷酸铝/氧化石墨烯水性复合防腐浆料(AlTP/GO),并与水性环氧树脂复配制得纳米复合防腐涂料(EP-AlTP/GO)。通过场发射扫描电镜(FE-SEM)观测到AlTP/GO可均勻分散到EP树脂内部。吸水率测试结果表明,氧化石墨烯的引人提高了涂层的耐水性和屏蔽性能;附着强度测试结果表明,三聚磷酸铝可提高涂层在金属基材上的附着强度;电化学测试(Bode)和环境扫描电镜测试(E-SEM)结果表明,AlTP/G0可有效增强水性环氧涂层对腐蚀介质的屏蔽作用,限制了腐蚀反应的扩散,在3.5%NaCl水溶液中浸泡40d后其低频阻抗达到7.02×10^7Ω·cm^2,盐雾测试400h后金属表面平滑,金属腐蚀未发生明显扩散,EP-AlTP/GO人工破损处周边含氧量低至15.66%,遏制了氧化铁的形成。

氧化石墨烯对再生混凝土界面过渡区的影响

利用纳米压痕仪和扫描电镜等设备研究了氧化石墨烯再生混凝土界面过渡区的微观力学性能和微观结构特征。结果表明:加入氧化石墨烯再生混凝土新砂浆和骨料(XJ-G)界面过渡区弹性模量平均增加18.54%,通过纳米压痕理论计算的高密度水化硅酸钙(HD C-S-H)相体积平均增加17.8%,孔隙体积平均降低9.1%;加入氧化石墨烯再生混凝土新旧砂浆(XJ-JJ)界面过渡区弹性模量平均增加16.25%,HD C-S-H相体积平均增加16.25%,孔隙体积平均降低6.4%;利用扫描电镜观测了加入氧化石墨烯再生混凝土微观结构,其晶体呈片状,晶体排布更趋于无序化,削弱了氢氧化钙(CH)晶体的取向性,微观结构更加密实;根据弹性模量变化定义了界面过渡区的宽度,氧化石墨烯能使XJ-G界面过渡区宽度减少25%,XJ-JJ界面过渡区宽度减少37.5%;氧化石墨烯使界面过渡区弹性模量分布更加稳定,其弹性模量均值基本趋于一致;由再生混凝土微观力学性能与宏观力学性能的联系,得到氧化石墨烯可以增强和改善再生混凝土新旧界面过渡区的力学性能和微观结构,进而提高和改善再生混凝土的宏观力学性能。

石墨烯-氧化钨复合薄膜的制备及界面电子传输特性

以偏钨酸铵为钨源、聚乙烯吡咯烷酮为连接剂,采用浸渍提拉法制备了石墨烯-氧化钨复合薄膜,利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及Raman光谱等方法对复合结构材料进行了表征,并利用光电流测试、交流阻抗谱(EIS)、瞬态光电流谱和强度调制光电流谱等方法,研究复合薄膜电极在光电作用下界面上的载流子转移过程和电荷传输行为.结果表明,组成薄膜的氧化钨纳米颗粒与石墨烯充分复合,光电性能显著提高;与石墨烯复合后,薄膜的瞬态时间常数增大,电子-空穴对寿命延长;电子传输时间减少,为纯氧化钨薄膜的47.5%.

氧化镁层对石墨烯/硅太阳能电池的界面优化

为了探究石墨烯/硅太阳能电池的铝/硅背接触特性,采用连续蒸镀的方法在铝/硅背接触间插入一层氧化镁介质层,对比测试具有不同厚度氧化镁层的电池的电流-电压特性、外量子效应、电池的串联电阻以及背接触电阻。研究表明:随着氧化镁厚度的增加,电池的光电转换效率、串联电阻以及背接触电阻存在先增大后降低的趋势,当氧化镁的厚度为1nm时的光电转化效率最优,达到5.53%,厚度为0nm时,光电转换效率为2.90%;当氧化镁的厚度为0nm和1nm时,相应的串联电阻(背接触电阻)分别为4.1Ω(9.6Ω)和1.8Ω(3.2Ω).

掺铝氧化锌/还原石墨烯复合材料的制备及性能

用溶胶-凝胶法制备掺铝氧化锌(AZO)/还原石墨烯(rGO)复合材料。通过XRD、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、Raman光谱和能量散射X射线能谱(EDS)等技术,对产物的结构和形貌进行分析。铝掺入了氧化锌的晶格,颗粒状的氧化锌颗粒(60～150 nm)均匀分布在rGO纳米片上。以100 mA/g的电流在0.01～3.00 V充放电,使用10 ml氧化石墨分散液和2 ml硝酸铝溶液制得的AZO/rGO复合材料的首次放电比容量为836.6 mAh/g,第30次循环的比容量为462.8 mAh/g。

京西煤制备氧化石墨烯分子结构模型的构建与优化

随着煤基碳材料的发展,石墨烯及石墨烯氧化物等二维碳纳米材料已成为目前新型材料中重要研究领域并成为研究热点。为查明煤基氧化石墨烯的化学成分组成和分子结构特征,以北京西山矿区侏罗纪门头沟系的8号煤层无烟煤为碳源,对京西原煤样和脱灰样进行了工业分析和元素分析,京西煤属于品质较好的低灰、低挥发分和特低硫无烟煤,脱灰后京西无烟煤的灰分产率从初始的9.26%下降到0.65%,表明矿物得到了有效去除。利用改良的Hummers氧化还原法制备煤基氧化石墨烯,并对制备的氧化石墨烯进行了核磁共振碳谱(^(13)C-NMR)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X-射线光谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)等分析手段测试。通过Origin软件对所得数据进行分析和图谱拟合,得到了所制备煤基氧化石墨烯产品的元素比和产品结构参数。研究表明:京西煤基氧化石墨烯的芳香结构以苯、萘、蒽和菲为主;脂肪碳以次甲基、环烷烃的形式存在,其中含氧官能团以酚羟基和醚氧基为主,还含有大量的羧基。在此分析数据的基础上,构建了京西煤基氧化石墨烯的分子结构模型,并运用^(13)C-NMR预测软件ACD/CNMR predictor对其进行了结构修正,所得到的GO-JX分子结构模型与试验核磁共振图谱较一致。

界面自组装法制备高性能氧化石墨烯膜

为制备可靠、精确的分子筛氧化石墨烯(GO)膜,克服基于厚度调控的抽滤自组装GO膜分离性能提升和通量减小之间的矛盾关系,采用界面自组装法,制备了具有更加紧密层间结构的GO膜,并对其性能进行了表征。实验结果表明:与抽滤自组装法制备GO膜相比,界面自组装法可以实现更加紧密的层间结构;在化学环境相似的条件下,界面自组装膜的层间距可达0.75 nm,较抽滤自组装膜减小了0.10 nm左右;成膜机理和速率是GO膜层间结构的主要影响因素。将该膜用于金属离子水溶液的截留实验,结果表明:界面自组装GO膜对Mg^(2+)的截留率可达70%左右,是抽滤自组装膜的1.3倍。

气液界面自组装还原氧化石墨烯薄膜

为了获得优异性能的还原氧化石墨烯薄膜电极,以氧化石墨烯分散液为原料、聚乙烯亚胺为粘结剂,采用气液界面自组装法制备了氧化石墨烯薄膜,利用氢碘酸还原得到还原氧化石墨烯薄膜电极。通过扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射仪和X射线光电子能谱仪对薄膜电极进行了表征。结果表明:还原氧化石墨烯薄膜具有良好的表面形貌、均匀的厚度且还原后的碳氧比达到了10.2。当氧化石墨烯分散液浓度为1.5 mg/mL时,还原氧化石墨烯薄膜电极的电导率达到495.44 S/cm。为石墨烯薄膜在微纳电子器件电极材料的应用方面提供了重要的实验依据。

氧化石墨烯/碱式硫酸铝掺杂聚醚砜/聚酰胺复合纳滤膜的制备及其性能

先由氧化石墨烯(GO)、硫酸铝和尿素通过水热法制得氧化石墨烯/碱式硫酸铝(GO-BAS)复合物,继与哌嗪(PIP)溶液共混作为水相;均苯三甲酰氯(TMC)溶于正己烷作为有机相;采用界面聚合法使两相单体在聚醚砜(PES)基膜表面形成聚酰胺(PA)功能层,制得氧化石墨烯/碱式硫酸铝复合物掺杂的聚醚砜/聚酰胺(PES-PA-GO-BAS)复合纳滤平板膜,并在较低的工作压力(0.3 MPa)下对其进行性能研究。其对无机盐溶液的截留率依次为:Na——2SO_4(91.08%)>MgSO_4(83.42%)>MgCl——2(68.97%)>NaCl(17.62%);纯水通量可达24.19 L·m^(-2)·h^(-1),较之聚酰胺纳滤膜提高了近60%,且具备良好的稳定性和耐碱性。

氨基化氧化石墨烯界面聚合制备超薄复合纳滤膜

采用氨基化氧化石墨烯(NGO)为界面聚合水相单体,制备了超薄复合纳滤膜。研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)表征了NGO以及复合纳滤膜的化学组成和形貌。系统考察了水相单体浓度、有机相单体浓度对于制备的超薄复合纳滤膜性能的影响。该超薄复合膜在低压(0.2 MPa)下纯水通量可达27.8 L·m-2·h-1,对小分子染料有较高的截留率(甲基橙截留率74.8%,橙黄钠截留率96.0%,刚果红截留率98.5%,甲基蓝截留率99%),对于无机盐的截留率较低(Na2SO4截留率21.4%,Mg SO4截留率10.7%,Na Cl截留率5.3%,Mg Cl2截留率1.5%),展现出优异的染料/盐分离性能。同时制备的复合纳滤膜展现了较好的长周期稳定性以及抗污染特性。