稀土离子掺杂石墨烯三维自组装材料的可控制备及光、磁特性研究

Rare earth ions doping is one of the most promising way for obtaining the luminescent and magnetic graphene-based materials. In our previous study, despite of the representative red emission and weak magnetism from the doping europium ions (Eu(III)), the unique blue emission was also observed in the Eu(III)-complexed graphene composites. It is believed that the blue emission was derived from the intrinsic emission of graphene. Our project aims to synthesize various rare earth ions (such as europium, terbium, samarium and dysprosium ions)-complexed three dimensional self-assembly graphene composites. It will be explored for the controllable synthesis of the components and inner structure, the doping ways of rare earth ions as well as the self-assembly mechanism. The central issue of the project is the investigation of the relationship between the regulation of structure induced by the rare earth ions doping with the specific luminescent and magnetic properties. Our objective is to construct the new graphene-based composites with excellent luminescent and magnetic properties for the adsorption and treatment of organic dye pollutants. It can be foreseeable that this work would open up new opportunities and build the materials’ foundation for the applications of the materials as the luminescent probe and adsorbent in the field of environmental protection and detection.

稀土掺杂是获得同时具有光、磁功能性石墨烯基材料的重要手段。申请人前期研究显示，稀土铕离子（Eu(III)）掺杂石墨烯复合材料不仅表现出Eu(III)的特征红光和弱磁性，在蓝色区域也发现特殊的荧光现象，暗示稀土掺杂能引起石墨烯的自发光行为。本项目拟进一步制备多种稀土离子（如铕离子、铽离子、钐离子和镝离子）掺杂石墨烯三维自组装复合材料，研究其组成和结构的可控合成、稀土离子的掺杂方式并探索其自组装机理。核心问题是研究稀土掺杂后结构调变与其荧光性质和磁性之间的内在关联；构建具有光、磁特性的新型高性能石墨烯基复合材料并应用于有机染料污染物的吸附处理。本项目将为该类材料作为荧光探针和吸附剂在环境保护和检测领域的应用奠定材料科学基础。

近年来，石墨烯基高效环保吸附剂日益受到重视，石墨烯作为一种新型二维材料，具有超高比表面积、机械性能和物理化学稳定性，石墨烯基复合吸附剂成为水污染中吸附领域研究热点。本项目中，在三维自组装多孔性石墨烯结构中加入了系列的掺杂组分，通过调控石墨烯的微结构，并发挥掺杂组分的特殊性能，不仅在石墨烯基体中实现了多功能性，而且并对有机染料、油类及有机溶剂具有优异的吸附行为。.主要研究工作如下：(1) 首创性地在不需任何配体作用下，将稀土离子直接引入石墨烯三维结构中，发现稀土离子的引入使石墨烯表面形成了3-5 nm sp2微区结构，导致了石墨烯的本征蓝色荧光，同时也观察到了稀土离子的f-f跃迁发光，该复合材料具有超快的吸附速率，60 min可净化2 mg/ml罗丹明Ｂ溶液；吸附曲线满足准一级反应模型，吸附速率与污染物浓度成正比；(2) 用热还原法制备了稀土氧化物纳米颗粒与石墨烯的复合材料，对有机染料（罗丹明B）吸附具有高吸附速率，效率和高负载率，10 min时吸附率达95%；(3) 铁钴纳米颗粒复合还原氧化石墨烯材料，部分氧化石墨烯片层由于纳米颗粒间的强的相互作用，自发卷曲成直径为2 µm，长为10 µm石墨烯卷，对有机染料具有优异的吸附性能且利用简单的磁铁就可与吸附溶液分离；(4) 三维氮掺杂石墨烯复合材料，呈多孔状结构，对油类（如植物油、柴油、机油、汽油和煤油等）具有优异的吸附性能。其中，对植物油的吸附量最大，吸附比重达到200 %。.该项目研究结果表明掺杂能够有效调控石墨烯的内部结构，改变石墨烯表面的官能团状态，并发挥掺杂组分和基体材料的协同效应，为石墨烯基吸附材料在多功能材料、环保材料等领域的应用提供一定的研究基础。