三维有序结构石墨烯/壳聚糖/Fe3O4复合材料的可控合成机理及构效关系研究

The 3d structures structure design of nano-composite endows it attractive properties and applications. However, the main difficulty is how to fabricate nano-composites with 3d ordered structure. Based on the Reaction-Diffusion process of chitosan hydrogel system, we proposed a Function-Reaction-Diffusion process for graphene/chitosan/magnetite nano-composite with 3d ordered structure. The fabrication mechanism of 3d ordered structure will be discussed. The influence of ordered structure on properties of nano-composites will also be investigated. The following three parts will be innovatively investigated. (1) Reaction-Diffusion process of organic precipitation system(Graphene-Chitosan-Iron ions/NaOH system) will be realized via controlling outer reactant concentration, which is obviously different from inorganic precipitation system and enrichs Reaction-Diffusion process. (2) In order to illustrated clarify the fabrication mechanism of 3d ordered structure, the relationship between outer reactant concentration and layer characterization will be thoroughly discussed. The reaction-diffusion function which is applicable to chitosan/NaOH system will be given. (3) The interrelationship between ordered structure and overall properties (anisotropic mechanical properties, electrical conductivity and magnetic responsibility) of nano-composites will be expounded. The composites might show enhanced adsorption property under magnetic field.

纳米复合材料的三维结构设计可赋予其独特性质及应用，然而现阶段缺乏三维有序结构的可控构建方法。项目基于函数化反应扩散技术，采用壳聚糖凝胶为基质，可控构建三维有序结构石墨烯/壳聚糖/四氧化三铁(GN/CS/Fe3O4)复合材料，研究并阐明三维有序结构的构建机理，探讨三维有序结构与性能的构效关系。项目拟开展三点创新性研究：（1）现有反应扩散研究局限于无机沉淀体系且无法人为设计和控制，项目通过调控外反应物浓度的技术手段，实现有机沉淀体系反应扩散（石墨烯-壳聚糖-铁离子螯合物/NaOH体系），丰富和发展反应扩散理论；（2）研究凝胶微环境和函数化外反应物浓度与复合材料三维有序结构的内在联系，计算建立反应扩散方程，实现三维有序结构复合材料的可控构建；（3）研究并阐明三维有序结构与复合材料各向异性（力学、导电和磁场响应）的构效关系，获得一种磁场下增强吸附性能的三维有序复合材料。

基于反应扩散机制，通过引入中断碱处理和石墨烯实现了中断时间T和石墨烯浓度C调控反应扩散过程，提供了一种按需制备有序层状结构复合材料的方法。解决了有序结构复合凝胶构建方法缺乏的难题，该方法可推广至海藻酸、透明质酸等两亲性聚合物体系。. 阐明了GN-CS-Fe(II,III)前驱体的形成及演化过程，明确了体系内官能团和离子之间的相互作用，获得了凝胶微环境对复合材料性能的调控规律。液相原位剥离可获得均匀稳定前驱体；壳聚糖-NH2和-OH与铁离子形成螯合作用，且与石墨烯形成相互作用(表现为N元素和O元素结合能提高)，确保了前驱体的均匀性和稳定性；揭示了四氧化三铁对复合材料磁学性能和力学性能的影响规律，以及石墨烯对复合材料力学性能和导电性影响规律。. 获得了壳聚糖凝胶体系中反应扩散构建有序层状结构的规律，建立了反应扩散方程，计算并发现了外反应物浓度起伏是反应扩散构建有序层状结构的本质。反应扩散前沿X随时间t变化符合关系X=5.31•t^1/2；CS/Fe3O4有序层状复合材料的层数N与中断时间T符合关系N=79.7T^0.73；中断时间T和石墨烯浓度C对层状结构的调控符合关系L=35.2×(1-0.812×C)×T^0.71。建立了GN-CS-Fe(II,III)/NaOH体系的扩散方程，计算并发现了外反应物浓度起伏是反应扩散构建有序层状结构的本质。. 研究并阐明了有序层状结构与复合材料性能的构效关系，完成了有序结构复合材料应用探索。发现了三维层状有序结构赋予复合材料Z-step状应力应变曲线，该行为赋予了复合材料增强的力学性能(破裂强度提高了25.2%，破裂位移提高了169%)；有序层状结构使复合凝胶在磁场下药物释放速率提高30%；基于项目构筑的三维有序层状复合凝胶，实现了三维有序层状多孔炭的制备，该新型有序层状多孔炭具有高比表面积(1050m2/g)和优异的电化学性能(230F/g)。