石墨烯/纳米金属复合体系有序多孔结构的构筑及形成机制研究

As the emergence of the new concept of metamaterials, the specially designed structure at some key scales receives more attention than before for functional materials. Fabrication of ordered porous structures using increasingly discovered nanomaterials as new building blocks is very important in both theoretical and application studies. Graphene/nanometal composites have shown excellent synergistic effect on catalytic activity, but little research has reported the fabrication of ordered porous structures using graphene or its nanocomposites. This project focus on the phase transfer behavior of graphene nanocomposites, and preparation of ordered porous structures using breath figure method. The formation mechasim and the properties of ordered porous structures are also investigated. Because the deposited metal nanoparticles can reduce the π-π stacking between graphene sheets, and graphenes are excellent catalyst supporting materials for nanoparticles, the ordered porous structures based on graphene/nanometal composites are promising functional materials with excellent catalytic activities. This project will provide important theoretical bases for the interfacial fabrication of porous structures and the development of catalytic and sensing materials.

随着超材料概念的兴起，人们在不断发现、合成新材料的同时更加注重材料的结构在关键物理尺度上的有序设计。利用新型纳米材料来构筑新颖的有序多孔结构在催化、传感等领域具有重大的研究意义和应用价值。石墨烯/纳米金属复合体系在催化活性等方面显示出优异的协同效应，但以石墨烯及其纳米复合物来制备有序多孔结构还鲜有报道。本项目主要研究石墨烯与金属纳米粒子形成的纳米复合物的相转移行为，以及以石墨烯/纳米金属/表面活性剂三元复合体系为构筑基元，通过水滴模板法来制备新颖的有序多孔结构，构建多孔结构的形成机制，探索其性质和功能。由于负载的金属纳米粒子可以作为间隔基团降低石墨烯层间的π-π堆积作用，同时石墨烯可以作为具有特殊性能的催化剂载体，石墨烯/纳米金属复合体系构筑的有序多孔结构有望成为具有高催化活性等优良特性的新型功能材料。本项目的研究为多孔结构的界面制备及催化、传感材料的发展提供重要的理论基础和依据。

随着超材料概念的兴起，人们在不断发现、合成各种新型纳米材料的同时更加注重在关键物理尺度上对纳米材料组装结构的有序设计。同时，基于不同性质的纳米基元材料之间的组合是一种发展新型材料的基本思路。本项目致力于以石墨烯、金属纳米粒子等纳米材料及形成的纳米复合物为构筑基元，在不同界面构筑有序多孔结构；系统研究表面活性剂、基元浓度、湿度、界面性质等制备条件的影响，探索纳米基元的结构与相转移行为、成膜特性之间的关系，初步建立有序多孔结构的界面形成机制；利用纳米基元及多孔结构自身的性质，结合表面修饰及功能化方法，构建具有特殊界面性质的纳米结构，开发其在化学及生物传感等领域的应用。利用相转移、原位沉积等方法制备了石墨烯/纳米金属复合体系，在不同界面制备了具有超疏水特性的高度有序蜂窝状多孔结构；利用二氧化硅微球自组装形成的微通道阵列为基底，制备了多级蜂窝状多孔结构；利用多巴胺仿生自聚合作用对形成的多孔结构进行表面修饰，并原位制备金属纳米粒子，得到了具有表面增强拉曼活性的多孔结构；基于在非平面结构性基底上制备的多孔薄膜，制备了图案化的多孔结构阵列，实现了生物分子的微阵列化排列。以氧化石墨烯为基底，利用苯胺对氯金酸的还原作用，通过界面反应的方法一步制得了石墨烯/金纳米粒子/聚苯胺三元复合体系。制备了锐钛矿二氧化钛纳米颗粒、量子点修饰的二氧化钛纳米颗粒及二氧化钛/硒化镉、石墨相氮化碳/二氧化钛等一系列纳米异质结构，考察了其光电化学特性，结合表面修饰和功能化方法，将其用于光电化学免疫传感器的构建，检测多巴胺及生物标志物。经过三年的执行，项目达到了预期目标。本项目的研究对于发展新型界面材料以及化学和生物传感器材料具有重要的理论指导意义和应用前景。以后的研究中应该注重形貌各异的纳米基元在形成有序结构时构筑规律的总结。同时在纳米基元自身性质、组装结构及组装体功能之间的构效关系和协同效应方面应进一步的研究和探讨。