《无机复合材料》课程论文

1、无机复合材料课程论文最终成绩自评成绩优秀论文题目新型石墨烯复合材料的制备及其在生物领域中的应用学院材料科学与工程年级2014级专业无机非金属材料工程学生姓名李虎学号指导教师鞠成佳木斯大学新型石墨烯复合材料的制备及其在生物领域中的应用作者：李虎 学号： 班级：无机二班摘要 : 随着现代生物化学、生物医学的迅速发展，对应用于生物领域的新型材料提出了越来越高的要求。 自从石墨烯材材料被发现以来，由于其具有较大的比表面积，极好的导电性以及良好的生物相容性，在各 生物应用领域起到了越来越大的作用。本文基于石墨烯材料，利用其纳米片带负电的性质，分别与两种无 机材料复合，并用于蛋白质的分离及葡萄糖的检测研究

2、。主要工作如下：1. 通过聚二烯丙基二甲基氯化铵 (PDDA)修饰的四氧化三铁(Fe3O4)带正电的性质，与带负电的氧化石 墨烯(GO)纳米片自组装，合成了具有核壳结构的 Fe3O4GG磁性微球。经过表征，Fe304GO料既具有较 强的饱和磁化强度，又具有较大的比表面积，适用于蛋白质的吸附分离。以牛血清蛋白质为模型，经过吸 附分离的实验研究，结果表明该材料对牛血清蛋白具有较大的饱和吸附量，且在磁场存在下分离迅速，其 性能优于其它一些磁性复合材料。2. 利用镍铝水滑石 (Ni-Al-LDHs) 剥离成纳米片后片层带正电的性质，使其与石墨烯 (graphene) 纳米 片复合，合成 Ni-Al-L

3、DH/Graphene 层状纳米片复合材料。由于石墨烯的加入，阻碍了水滑石纳米片的堆 叠，增加了水滑石的活性位点，且提高了复合材料的导电性。将该复合材料修饰电极，构筑了葡萄糖传感 器，具有优良的电催化性能和检测性能。且与单独 Ni-Al-LDHs 修饰电极构筑的葡萄糖传感器相比，具有 较低检测限的同时，具有较高的灵敏度 (是其灵敏度的 21.6 倍)。关键词： 石墨烯，自组装，蛋白质吸附，葡萄糖传感器1.1 石墨烯 (Graphene) 概述人们在 1985 年发现了富勒烯 1 ， 1991 年发现了碳纳米管 2后，碳材料在物理、化学， 生物等领域发挥了越来越大的作用，这也引起了人们对碳材料的

4、种种猜想与假设。石墨烯(Graphene)作为一种平面薄膜材料，只有一个碳原子厚度，是一种典型的二维材料。微观 结构上，石墨烯则是由碳原子以 sp2 杂化轨道组成的，呈现出六角型的蜂巢晶格。由于这种近乎完美的二维晶体结构，石墨烯一直被认为是不能够单独稳定存在的3 ，所以在相当长的一段时间中，石墨烯一直是人们假设出来的结构。直到2004年，英国Manchester大学的物理学家 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov ，在实验室中成功的从石墨中剥离出石墨烯 片层，二人也因此开创性的实验，共同获得了诺贝尔奖4。 石墨烯是至今为止，人们所知道的最薄的纳米材料，同时也是最坚

5、硬的纳米材料5。由于石墨烯是由单层的石墨纳米片构成的， 所以它可以通过弯曲变形， 堆积堆叠构成各种维度的碳材料， 这也使其成为碳材料 的基元。它不仅具有很多特性，比如几乎透明，导热系数高，电阻率极小等特点，它同时也 具有所有碳材料的共有性质， 因此， 人们可以通过研究石墨烯来了解， 解释其它一些碳材料 的特点与特性 6 。基于石墨烯材料如此多的优点，石墨烯成为了当社会各个研究领域的新 宠，掀起了一股石墨烯相关材料的研究热潮。1.1.1 石墨烯的性质(1) 力学特性 研究人员 7发现，石墨烯样品可以承受的压力为每 100 纳米距离上大约 2.9微牛。据研究测算，如果按这个压力计算，那么如果要使1

6、 微米长的石墨烯断裂，必须要施加 55牛的力。举一个通俗的例子，人们日常使用的塑料包装袋厚度约为100纳米，那 么如果用石墨烯代替塑料生产出同样厚度的包装袋， 要想让此袋子破裂， 那么需要施加约两 万牛的压力，也就是说此石墨烯包装袋能承受约为两吨的物品重量。(2) 热学特性 科学家 Balandin 等8 利用拉曼光谱法研究了石墨烯的热导性能。结果 表明，石墨烯的热导率为 5300 W-m K-1，这一结果远远超过了其它碳材料，碳纳米管的热 导率都远低于石墨烯。(3) 磁学特性 Enoki 等9发现了石墨烯具有独特的磁学性质，这是由于石墨烯片层的 边缘中存在未成对的n电子引起的。(4) 电学性

7、质 石墨烯片层中由于存在足够多的 sp2 轨道，使得其具有快速的电子迁移 速率10，此值甚至超过了 15000 m2 - V-1 - S-1，达到了光速的 1/300。基于此特点，石 墨烯在电化学领域起到了越来越大的作用。(5) 化学性质 石墨烯材料归根结底是一种碳材料，具有碳材料所有相关的化学性质。 除此之外， 通过对石墨烯的结构研究， 得知石墨烯不仅具有较大的比表面积， 更拥有大量的 n电子和空轨道，所以从表面化学的角度分析，石墨烯表面可以吸附和脱附各种原子和分子， 这使石墨烯非常易于与别种材料进行修饰和复合， 使石墨烯类材料拥有更多潜在的应用， 这 也吸引了越来越多化学家的注意。2 石墨

8、烯的制备方法目前，石墨烯的制备方法有多种，比如微机械剥离法等，较常用的一些合成方法如下。(1) 微机械剥离法 微机械剥离法，是通过机械力将石墨剥离，直至剥离成单层的石墨烯片为止。2004年，Manchester大学的Geim等用此种方法从高取向热解石墨 (HOPG)上 剥离出了单层石墨烯。 Geim 小组首先在 HOPG 表面用氧等离子对其刻蚀，之后将其转移到 玻璃衬底上，用透明胶带反复撕揭。当 HOPG 的厚度降低到一定程度时，将玻璃衬底放入 丙酮溶液中超声， 之后利用单晶硅片吸附溶液中的单层石墨烯。 这是人们第一次得到石墨烯， 也是最早从实验上证明石墨烯可以单独存在的一个实验。 用这种机械

9、剥离法制备单层石墨烯 具有一些优点， 其中最大的优点就是合成工艺简单、制作成本较低，但是与此同时，这种方 法也具有很大的缺点，比如合成的石墨烯产量低， 不可控。虽然在后来的一段时间中， 机械 法有所简化，但也无法达到大规模生产的要求。(2) 氧化石墨还原法 氧化还原法是指先将天然石墨氧化为氧化石墨(GO)，然后将GO热解膨胀或者经过超声分散制备成稳定的氧化石墨烯(单层氧化石墨 )，最后加入还原剂还原GO 得到石墨烯。特别值得一提的是，这种氧化还原法的提出，使石墨烯的工业化生产成为可能。 由于这种方法简单易行， 所以成为实验室制备石墨烯时最常用的方法， 本论文中合成 石墨烯的方法就属于此方法。

10、Ruoff 等12发现向 GO 分散液中加入某些还原性化学物质如 二甲肼、硼氢化钠和肼等可以还原GO,得到石墨烯。由于石墨烯较大的比表面积，所以容易发生团聚， 不容易在溶液中分散， 而通过氧化 -还原法制备的石墨烯却是分散在溶剂中的， 所以这种合成方法还解决了石墨烯的溶剂分散问题。 但此合成方法也非没有缺点, 缺点就是 用此合成方法合成出的石墨烯缺陷度较高,这就较大的影响了石墨烯材料的电子传递性能。 基于此， Wang 等13 就采用了向 GO 中加入水合肼，溶剂热的方式，合成了缺陷较少的石 墨烯。但缺陷的存在也为某些新型材料的合成提供了便利， 比如缺陷位点处更容易引起原子 掺杂，生成具有新性

11、能的石墨烯类材料。(3) 热分解 Si C 法 Claire Berger 等14利用热分解 Si C 的方法制备出了石墨烯， 并研 究了石墨烯的性能。这种方法的实质是通过热解脱除Si 来制取石墨烯的。该方法的缺点很明显，即生成的石墨烯不均匀，较难获得长程有序的石墨烯片。(4) 化学气相沉积法 化学气相沉积法的原理是先让反应物在高温下气化， 然后在气态 条件下发生化学反应， 然后使生成的固态物质在低温下沉积在另一种固体基体表面， 从而制 得材料的一种方法。 Kim 等15在 Si O2/Si 衬底上沉积了金属镍，然后将在氩气环境中加热 到1000 C,再通入流动的甲烷氢气和氩气，最后快速冷却至

12、室温，制得了石墨烯薄膜。 如果在实验过程中选用不同的基底， 可以生长出不同形状的镍膜， 当沉积上石墨烯后， 即可 得到不同形状的石墨烯薄膜。 此种方法制得的样品的特点就是结晶度较高， 石墨烯片很完整， 所以可以有效的提高石墨烯的导电性及强度。 但是这种方法的耗费却很昂贵， 所以不适宜于 工业生产。 (5) 其他方法 除以上方法外， 合成石墨烯的方法还有很多， 比如：溶剂剥离法、 化学剥离法、外延生长法，等等。 Stanford 大学戴宏杰教授 16 的研究组利用化学法剥离法 制备了石墨烯纳米带。 Pan 等 1 7利用外延生长法，使碳元素向钌晶体表面偏析，生成了单 层石墨烯薄膜。3 结论随着现

13、代生物化学、 生物医学的迅速发展， 对应用于生物领域的新型材料提出了越来越 高的要求。 石墨烯材料具有大的比表面积、 快速的电子转移速率、 较强的生物相容性等优点， 被广泛用于生物应用领域。 近几年，石墨烯复合材料的应用涉及了生物领域中的各个角落了， 得到了科学家及众多研究者的广泛关注。 具有核壳结构的纳米材料也成为了当今的研究热 点，这是因为具有这种结构的纳米材料可以将核材料以及壳材料的优点统一在一起，使复合材料同时具有二者的优点， 这就极大的拓宽了纳米材料的应用领域， 并且增强了纳米材料在 实际应用中的优异效果。 所以具有核壳结构的磁性复合物在生物分离、 蛋白质吸附、 酶固载、 靶向给药方

14、面都具有良好的应用优势。磁性分离具有快速、简单、 价格便宜， 利用率高等优 点。所以由氧化铁与高聚物或硅壳组成的磁性微球已经被广泛应用于蛋白质分离领域。然而，这种复合纳米材料中， 有些磁饱和强度较低， 有些则负载量较低， 所以在实际应用中并不是 特别适合。 针对以上问题， 本文提出制备一种既具有高磁饱和强度， 又具有高负载量的磁性 微球对蛋白质进行吸附分离研究。无酶葡萄糖传感器由于其独特的优点受到了越来越多的关注，许多无酶葡萄糖传感器 也被越来越多的提出， 比如水滑石材料构筑的葡萄糖传感器。 但是由于水滑石材料容易发生 层板间的堆垛，而且材料本身导电性较差，这很大的影响了其催化效率，影响其催化性能。 针对此问题， 本文利用了石墨烯的特点， 使石墨烯将水滑石纳米片阻隔开来， 这样既使水滑 石材料活性位点充分暴露， 又极大的提高了水滑石材料的电导率。 这种石墨烯复合材料， 可潜在应用于许多生物传感领域。4 参考文献1 陈留群 , 孙光辉 , 李春林，金江彬 . 从碳纳米管到石墨烯浅谈碳纳米材料的研究进展J.材料导报，2011,25(18):2 顾正彬