功能化石墨烯-金属有机骨架纳米复合材料的制备及传感性能能研究

Graphene has greatly attracted the research intrests for its special structure and brilliant chemical and phyisical properties. Graphene functionalization is an important route to expand the research area and applications of graphene. Functionalizing graphene through chemical routes could bring multiple functional groups on the surface of graphene efficiently and simply, which may greatly improve the properties of graphene. Metal-organic frameworks (MOF) are recognized has potential performance on gas adsorption, storage, separation, catalysis and sensors for its high specific surface area, multiporous and abundant structures.To combine the advantages both of graphene and MOF, we intent to design and synthesize graphene/MOF nanocomposite and explore its performance and applications on gas adsorption. The main content includes: 1) Functionalize graphene through chemical routes; 2) Self assembly of metal-organic frameworks on the surface of functionalized graphene to form graphene/MOF nanocomposite; 3) Properties characterization of graphene/MOF composites and application research on gas sensor,to expand the research area of graphene composite materials.

石墨烯由于特殊的结构和优异的性质，吸引了科学界极大的研究兴趣。石墨烯的功能化是拓展石墨烯研究和应用的一个重要方向。通过化学途径可以简捷、高效的在石墨烯表面引入多种官能团，从而改善石墨烯的性质。而金属有机骨架（MOF）由于具有高的比表面积、多孔性以及结构丰富的优点，被认为在气体吸附与存储、分离、催化、传感器等方面有潜在应用前景。本项目拟结合石墨烯与MOF的优点，设计并制备石墨烯/MOF复合材料，探索其在气体吸附领域的应用。研究内容包括：1）通过化学手段修饰石墨烯，实现石墨烯的功能化；2）金属有机骨架在石墨烯表面自组装形成金属-有机骨架结构，构筑石墨烯/MOF复合材料；3）对于所构筑的石墨烯/MOF复合材进行性能测试及传感性能的应用研究，从而实现对气体的高灵敏高选择性探测，扩展石墨烯复合材料的研究领域。

本项目研究以化学修饰石墨烯-金属有机骨架(MOF)纳米复合材料及其传感性能作为研究对象，研究内容主要分为三部分：1.石墨烯的化学修饰；2.化学修饰石墨烯-MOF结构纳米复合材料的构筑；3. 石墨烯-MOF纳米复合材料器件的构筑以及传感性能研究。目前已完成的工作主要有：.一．.石墨烯的化学修饰。以光氯化反应作为起始反应，我们首先在石墨烯表面共价修饰了氯官能团，研究结果表明，通过光化学反应可以迅速在石墨稀表面打开C-C键，形成丰富的C-Cl键。经过修饰的石墨烯导电性能有所下降，打开了带隙，增强了表面的亲水性能。通过进一步与格氏试剂的取代反应，可以充分将氯官能团替换为相应的有机官能团。这种两步法反应可以把一些原本无法通过常规化学方法修饰的官能团共价接枝到石墨烯表面，不仅能人为的改善石墨烯的表界面性能，而且拓展了石墨烯化学修饰的途径和方法。.二．.化学修饰后的石墨烯与金属有机骨架前驱体通过自组装的形式形成相应的石墨烯-MOF复合纳米材料。我们选择修饰有羧酸官能团的石墨烯作为基底，通过自组装的形式将过渡金属盐溶液和有机配体溶液经过水热法结合成为纳米复合材料。研究结果显示，与未经修饰的石墨烯氧化物相比，经过修饰后的石墨烯与金属和有机配体形成复合纳米材料时，MOF层的方向性和结晶程度更好，结构更为有序。这种有序性可以更好的提高复合材料的气体存储和分离性能。而由于样品本身结构和性质的限制，无法通过交替进行的方法得到层数可控的层状结构。.三．.石墨烯-MOF复合纳米材料器件的构筑和气体传感性能的研究。我们将所制备的复合纳米材料沉积在Si-SiO2基底上，再通过高真空蒸镀和电子束曝光刻蚀的方法构筑传感器件。对于所构筑的器件对氢气的传感性能和选择性能进行了初步研究。研究结果表明，该传感器对氢气具有较好的响应性能，并且在有其他碳氢化合物蒸汽的存在下依然有较好的响应性能，表明我们所制备的这种石墨烯-MOF复合材料在气体传感方面有潜在的应用前景。