贵金属纳米颗粒修饰的石墨烯特性研究

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石墨烯是具有单原子层厚的新型碳材料,是其他维数碳的同素异形体的二维构建模块,可以堆垛成三维的石墨、卷曲成一维的碳纳米管或包裹成零维的富勒烯。石墨烯具有高的机械强度,良好的热导率和快速的载流子迁移率,为传感器、集成电路和新型石墨烯器件的制备提供了原料。另外,石墨烯具有极高的比表面积,可用于制备纳米复合材料,新型石墨烯基纳米复合材料的制备及性能研究成为石墨烯研究的一个重要方向。  银纳米颗粒具有很强的紫外/可见光吸收和表面等离子体共振等性质,在表面增强拉曼光谱和非线性光学等方面具有独特的应用前景。另一方面,金纳米颗粒广泛应用于生物标记中,因为金与生物体具有很好的相容性,并且其光响应能够转化成近红外光穿透细胞,因此常在双光子荧光诊断成像和光热治疗癌细胞中作为光造影剂使用。  本文采用紫外/可见吸收光谱、电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱等对石墨烯金纳米球、石墨烯金纳米棒、不同比例的石墨烯核壳纳米颗粒的特性进行了对比研究分析。本文的主要内容和创新点包括:  (1)概述了石墨烯的发展、突出的性质、制备方法以及对石墨烯进行光学手段表征。  (2)本文利用表面活性剂溴化十六烷基三甲铵(CTAB)辅助的“种子生长法”,“自组装法”和“原位还原法”合成了石墨烯金纳米棒、石墨烯金、银纳米球和石墨烯金壳银核纳米球。电子显微镜显示:石墨烯表面上的纳米颗粒充当着“垫片”的作用,增加了临近碳原子的间距,减弱了相邻石墨烯片之间的范德华力,从而阻止了石墨烯的团聚。利用632.8 nm激发光获得了氧化石墨烯、石墨烯金、银纳米球、石墨烯金纳米棒的拉曼光谱图。氧化石墨烯位于1595 cm-1的G带在石墨烯金纳米球和石墨烯金纳米棒中分别红移到了1602 cm-1和1606 cm-1。G带的红移是无序碳的表征,更高的无序度引起了π带隙的变宽,因此产生了更高的振动频率。通过对表面增强拉曼光谱的分析可以证实:在增强过程中,电荷转移机制占主导地位。而石墨烯金纳米棒的强度强于石墨烯金纳米球,原因是避雷针效应占主导作用,主要是通过增强局部电场来增加散射截面,从而增加信号强度。  (3)研究了不同比例下的核壳纳米颗粒吸附在维生素A还原的石墨烯间的紫外/可见吸收光谱和表面增强拉曼光谱。原子力显微镜结果显示了在超声条件下获得了单层的,稳定的氧化石墨烯胶体。X射线衍射图谱显示了原氧化石墨烯中的特征峰在石墨烯复合物中消失了,证明原氧化石墨烯中的结构受到破坏。通过研究发现:在硝酸银溶液中,随着氯金酸溶液的加入,紫外/可见吸收光谱和拉曼光谱强度均呈现先增强后减弱的趋势,在最佳浓度比n(AgNO3)∶n(HAuCl4)=0.5∶1时,紫外/可见吸收光强度和拉曼光谱强度同时达到最强。氯离子的引入,和其他阴离子在金银表面造成竞争吸附,氯离子的亲合性强于其他的阴离子,多余的氯离子和银离子结合生成氯化银沉淀,减弱了表面等离子体的共振吸收,因此改变了金银表面的化学性质。继续加入氯金酸,被还原的金粒子包裹在银表面,大量粒子吸附在二维石墨烯团簇上,强度进一步增强。随着氯金酸的过量加入,被还原的金纳米粒子开始团聚,抑制了谱峰强度的增加。
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