工学 博士

• 作 者: 王岩
• 机 构: 吉林大学
• 出 处: 吉林大学
• 发表日期: 2020年期
• 关键词: 石墨烯氧化物

石墨烯氧化物是一种二维碳纳米材料，在其基础平面和边缘分布着大量的含氧官能团。起初它仅被视为大批量生产石墨烯的“前驱体”，近年来，随着对石墨烯氧化物认识的不断深入，科研人员意识到含氧官能团对石墨烯氧化物的光物理性质具有重要的意义。这些含氧官能团使石墨烯氧化物能以共价键或非共价键的形式与其他纳米材料相连接，从而创造出一系列具有优秀光学和电学等性质的纳米复合材料。如何进一步提高这些纳米复合材料的光电转换性能是该领域备受关注的问题，而且它们的性能应该受到石墨烯氧化物和基于石墨烯氧化物的纳米复合材料的电子结构的深度影响。但由于石墨烯氧化物本身电子结构复杂，所以普通的稳态表征方法很难给出相关其电子结构的详细信息。这就导致许多与石墨烯氧化物电子结构相关的前沿问题并未得到解决，如石墨烯氧化物的红色荧光的来源问题、石墨烯氧化物的整体电子结构与含氧量的内在关系问题等。因而，对这些基础问题的研究对于提高基于石墨烯氧化物的纳米复合材料的光电性能具有重要的意义。
　　在本文中，利用飞秒瞬态吸收光谱和时间分辨荧光光谱等方法对不同含氧量的石墨烯氧化物的电子结构进行了系统地研究，并对石墨烯氧化物-二氧化钛纳米复合材料的激发态过程进行了初步探究。主要内容具体如下：
　　1.利用经过调整的Hummers法制备石墨烯氧化物，并通过物理吸附和化学合成两种方法制备石墨烯氧化物-二氧化钛纳米复合材料。
　　2.通过超快瞬态去极化光谱研究激发能量在石墨烯氧化物中不同电子态之间的迁移/重新分布过程，进而为分析石墨烯氧化物中各电子态之间的联系提供更清晰的物理图像。实验结果表明，在石墨烯氧化物的sp3区域中，sp3杂化的碳原子和含氧官能团之间会形成一种电荷转移态，能量和电荷迁移过程发生在亚皮秒到几十皮秒的时间尺度内。而在石墨烯氧化物的sp2区域并不会发生这种激发能量转移过程，这表明sp2电子态是非常局域的。进而与时间分辨荧光去极化实验结果相结合，表明石墨烯氧化物的红色荧光（590-650nm）主要源于sp2区域的电子态贡献。
　　3.将飞秒瞬态吸收光谱与X射线光电子能谱结果相结合来定量分析石墨烯氧化物的电子结构与含氧量之间的关系。实验结果表明，当石墨烯氧化物具有较高含氧量（如35%）时，由于在sp2区域周围存在高比率的sp3/sp2区域，使光生电子和空穴被局域在sp2区域，石墨烯氧化物整体呈现绝缘体性质。当含氧量降低至约34%（临界含氧浓度量）时，石墨烯氧化物整体呈现半导体性质。当含氧量进一步降低至约29%时，石墨烯氧化物出现半金属性质，并处于两相（半金属与半导体）共存状态。
　　4.首先，通过飞秒瞬态吸收光谱分别对不同晶型的二氧化钛纳米粒子的水和乙醇溶液进行测试，研究二氧化钛纳米粒子中光生电子-空穴对的产生和弛豫过程。实验结果表明，在不同晶型的二氧化钛纳米粒子中被陷阱捕获的空穴动力学和电子的深捕获动力学过程几乎完全相同。其次，通过对比同种晶型二氧化钛的水溶液和乙醇溶液的实验结果，发现二氧化钛纳米粒子被陷阱捕获的空穴的动力学行为也几乎相同。最后，通过飞秒瞬态吸收光谱对石墨烯氧化物-二氧化钛纳米复合材料进行了研究，证明了石墨烯氧化物上的光生电子并不会向二氧化钛迁移。结合前面的研究结果，这说明石墨烯氧化物-二氧化钛纳米复合材料具有较高光催化效率的原因可能是二氧化钛的光生电子可以有效的向石墨烯氧化物和还原石墨烯氧化物上迁移，抑制了电子-空穴对复合，从而提高了光催化效率。