氧化石墨和聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料的制备、表征及应用研究

导电聚合物/层状无机物纳米复合材料中导电聚合物和层状无机物片层的纳米复合,赋予了复合材料优异的力学、热学、电学和电化学性能。因此,导电聚合物/层状无机物纳米复合材料已成为新型功能材料的主要研究方向之一。 本文主要探讨了目前研究较多的层状无机物——氧化石墨的制备工艺,系统地考察了石墨用量、硝酸钠用量、低温反应时间、高锰酸钾用量以及高温反应过程中的加水方式对氧化石墨结构和性能的影响,确立了制备具有较高氧化程度的氧化石墨的工艺方法和工艺条件。在制备出氧化程度较高的氧化石墨的基础上,以氧化石墨作为插层主体,聚吡咯作为插层客体,采用原位聚合法制备了聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料。系统地考察了添加剂种类、氧化石墨悬浮液的质量分数、十二烷基苯磺酸钠与吡咯的摩尔比（DBSNa: py）、氧化剂FeCl3与吡咯的摩尔比（FeCl3:py）和反应温度等工艺因素对聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料结构和性能等的影响。初步探讨了聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料用作DNA生物传感器电极时的电化学特性。 研究结果表明,采用Hummers法以天然鳞片石墨为原料制备氧化石墨时,XRD分析和电阻率测量结果可表征产物的氧化程度。氧化程度足够高的产物其XRD谱在2θ为10°附近出现尖锐的氧化石墨（001）面的特征衍射峰,电阻率达10～2Ωm的数量级。高锰酸钾用量是影响产物氧化程度的主要因素,而硝酸钠用量对产物氧化程度的影响很小。高锰酸钾用量越大,石墨用量越少,低温氧化时间越长,产物的氧化程度越高,电阻率越大。采用连续加水的方式,将高温反应的温度控制在100℃左右才可得到稳定的氧化石墨。制备较高氧化程度的氧化石墨的原料配比及工艺条件为:天然鳞片石墨10g,高锰酸钾30g,浓硫酸230ml,低温反应时间2h,高温反应时需采取连续加水的方式将反应液的温度控制在100℃以内。 研究结果表明,采用原位聚合法制备聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料时,添加剂对产物的结构和性能有较大的影响,以DBSNa为添加剂可得到具有良好层状有序结构的聚吡咯/氧化石墨插层纳米复合材料,而未加添加剂或以NaOH为添加剂时,产物为剥离型聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料。插层型聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料的电导率高于剥离型聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料,热学性能和电化学性能也优于剥离型聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料。 氧化石墨悬浮液的质量分数、DBSNa与py的摩尔比、FeCl3与py的摩尔比和反应温度是影响PPY/GO—DBSNa纳米复合材料结构和性能的主要因素。在氧化石墨悬浮液的质量分数为1%,DBSNa:py=4:3（摩尔比）,FeCl3:py=2.4:1（摩尔比）,反应温度为0℃的工艺条件下,可制备出具有层状有序结构的插层型PPY/GO—DBSNa纳米