碳納米材料的X射線吸收譜學(xué)研究.pdf

1、納米材料研究是理論和實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的一個(gè)熱門課題。碳納米材料由于具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，在復(fù)合材料、微電子器件、生物醫(yī)學(xué)以及靈敏傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的潛在應(yīng)用。然而，在碳納米材料走向?qū)嶋H應(yīng)用的過程中，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的功能化和電子結(jié)構(gòu)調(diào)制是非常關(guān)鍵的一步。因此，在碳納米材料的修飾改性以及摻雜方面的研究具有非常重要的研究和應(yīng)用意義。
　　 本論文利用X射線近邊吸收譜對(duì)碳納米管的修飾和純化以及石墨烯的摻雜和氧化還原進(jìn)行了系統(tǒng)的研究

2、，展示了X射線近邊吸收譜在碳納米材料結(jié)構(gòu)表征和機(jī)理研究中的特殊功能。
　　 a、利用X射線近邊吸收譜研究了碳納米管的硝酸修飾過程以及在這個(gè)過程中所產(chǎn)生的碳碎片問題：
　　 1)通過X射線近邊吸收譜對(duì)單壁碳納米管的稀硝酸處理過程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚的表明了碳納米管管壁吸附的碳碎片的存在，這種碳碎片將有效減少硝酸對(duì)碳納米管管壁的直接氧化。吸收譜實(shí)驗(yàn)顯示硝酸處理后產(chǎn)生的羧基基團(tuán)同時(shí)存在于碳碎片和單壁碳納米管管壁上，但

3、單壁碳納米管管壁只被輕微的氧化。硝酸氧化后的碳碎片可以通過氫氧化鈉溶液清洗來去除，去除碳碎片之后，進(jìn)一步的硝酸處理能夠直接修飾單壁碳納米管的側(cè)壁。實(shí)驗(yàn)證明去除吸附的碳碎片才能夠?qū)伪谔技{米管管壁進(jìn)行有效的修飾。吸收譜還顯示碳碎片主要來源于碳納米管制備過程中所產(chǎn)生的無定形碳和在硝酸處理過程中被打碎的單壁碳納米管。
　　 2)還利用X射線近邊吸收譜對(duì)單壁碳納米管和多壁碳納米管的濃硝酸處理進(jìn)行了對(duì)比研究。吸收譜結(jié)果表明，單壁碳納米管很

4、容易被濃硝酸破壞形成碳碎片，所產(chǎn)生的羧基基團(tuán)主要存在于碳碎片上。而多壁碳納米管結(jié)構(gòu)相對(duì)比較穩(wěn)定，而且管壁層數(shù)多，能夠在側(cè)壁上產(chǎn)生大量的共價(jià)氧化基團(tuán)。前面的研究已經(jīng)證明稀硝酸能夠有效的修飾單壁碳納米管。因此，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的碳納米管應(yīng)當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)南跛崽幚項(xiàng)l件，這樣才能有效的提高碳納米管的功能化程度。
　　 3)同時(shí)還用X射線近邊吸收譜研究了退火處理對(duì)氧化碳碎片的去除效果。吸收譜結(jié)果證明在惰性氣體中對(duì)硝酸處理過的單壁碳納米管進(jìn)行退火處

5、理能夠有效的去除吸附在碳納米管上的氧化碳碎片，而這些氧化碳碎片是很難通過水的沖洗來去除的。除了以前所報(bào)道的氫氧化鈉溶液清洗外，本實(shí)驗(yàn)提出了另外一種去除氧化碳碎片的辦法。
　　 b、通過X射線近邊吸收譜對(duì)碳納米管的共價(jià)與非共價(jià)修飾進(jìn)行了詳細(xì)的研究：
　　 1)利用X射線近邊吸收譜研究了不同溫度下氣態(tài)硝酸對(duì)多壁碳納米管的氧化修飾。吸收譜結(jié)果表明，硝酸氣體能夠有效的氧化修飾多壁碳納米管，通過對(duì)處理溫度的控制能夠有效的調(diào)節(jié)修飾到

6、多壁碳納米管表面的氧化基團(tuán)的數(shù)量。更重要的是這種實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，樣品不需要進(jìn)行過濾和清洗，可以進(jìn)行大批量的改性功能化。
　　 2)同時(shí)還利用X射線近邊吸收譜研究了單壁碳納米管的苯丙氨酸和甘氨酸吸附。吸收譜結(jié)果證實(shí)了氨基酸的吸附。吸附到單壁碳納米管上的甘氨酸的C=Oπ*峰出現(xiàn)一個(gè)明顯的能量位移，說明氨基酸和單壁碳納米管間存在著相互作用。
　　 c、基于X射線近邊吸收譜對(duì)石墨烯的N摻雜和氧化還原過程中電子結(jié)構(gòu)及局域結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)

7、行了研究：
　　 1)結(jié)合X射線近邊吸收譜和光電子能譜研究了氧化石墨烯在N摻雜過程中結(jié)構(gòu)隨溫度的變化。N摻雜的石墨烯是通過把氧化石墨烯放到氨氣氣氛中退火得到的。吸收譜結(jié)果表明，石墨烯中主要存在三種N摻雜結(jié)構(gòu)：吡啶型、氨基和石墨型。在低溫下，摻雜的N主要是以氨基的形式存在，這些氨基會(huì)在高溫下分解。而在高溫下，N原子傾向于取代石墨層中的碳原子而形成吡啶型和石墨型結(jié)構(gòu)。N的光電子能譜也證實(shí)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從O的K邊吸收譜上同時(shí)發(fā)現(xiàn)大量