伽玛辐照诱发石墨烯结构的损伤及修复机理研究

Graphene has recently sparked great excitement in the scientific community given its unique two-dimensional structure and excellent mechanical, electronic, and optical properties and possesses attractive prospects in the field of energy conversion, material enforcement, and electronic devices. In which, the preparation of low-cost, high-quality graphene and modification of structure and performance are the important issues of graphene-based materials research. Our previous work has proved the γ-ray irradiation technique can be effectively used for preparation and modification of graphene-based materials. This project herein is proposed to study the γ-ray irradiation induced chemical structure changes of graphene-based materials, especially investigate the basic mechanism of the graphitic structure damage and restoration through pulse radiolysis, electron paramagnetic resonance and other structure analysis methods, including 13C-NMR, X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray diffraction and so on. In addition, the relationship of structure and properties of graphene-based materials is also planned to explore by combining structural characterization with properties measurement. The results of this project will provide scientific and experimental basis for the preparation of high quality and low-cost graphene and structure design and performances regulation of graphene-based material by irradiation technique. It will be very helpful to promote the application of graphene-based materials in the field of functional nanocomposites, microelectronic devices and so on.

石墨烯因其独特的二维结构和优异的力学，电学和光学等性能引发了广泛的研究兴趣，在能源转换，材料增强和电子器件等领域具有诱人的应用前景。其中，开发低成本高品质石墨烯的制备技术和石墨烯结构修饰与功能调控的方法是石墨烯基材料研究的重要内容。申请人前期研究已证明γ射线辐照能够有效用于石墨烯基材料的制备与功能修饰。本项目拟通过脉冲辐解，电子顺磁共振波谱分析技术，辅以拉曼光谱，13C-NMR，X射线光电子能谱，X射线衍射等结构分析方法，研究γ射线辐照诱发石墨烯基材料的化学结构变化，特别是其石墨化结构损伤与修复的基本机理；并结合样品的相关物化性能的测试，探究石墨烯基材料结构与性能的变化关系，为利用辐照技术制备高品质低成本石墨烯及石墨烯基材料的功能化设计与性能调控提供科学依据和实验基础，促进石墨烯基材料在功能纳米复合材料及微电子器件等领域的应用。

石墨烯及其衍生物具有独特的二维结构和优异的力学，电学和光学等性能，在能源转换，材料增强和电子器件等领域具有诱人的应用前景。但石墨烯及其衍生物不易分散和难加工的难题是石墨烯基材料制备与应用研究需要解决的重要问题。γ射线能量高，穿透力强，无需苛刻条件即可诱发一系列的物理与化学反应，能够有效地修饰改性石墨烯及其衍生物，赋予其新的性能。因此，伽马辐照技术有望成为制备功能石墨烯材料的新方法。本项目在执行期间，主要开展了以下三个方面的研究工作：首先是研究伽马射线辐照对氧化石墨烯的石墨化结构修复效应研究。主要包括利用脉冲辐解装置研究水合电子与氧化石墨烯的快速反应过程；在胺类化合物的水溶液中，伽马射线辐照诱发氧化石墨烯的还原效应等工作。其次，研究伽马射线辐照对石墨烯基片的氧化“刻蚀”效应研究。主要包括利用脉冲辐解装置研究羟基自由基与氧化石墨烯的快速反应过程；伽马射线辐照引起石墨烯基片氧化刻蚀的机理以及利用所得的多孔石墨烯基片制备石墨烯基层状膜及其正渗透膜净化性能等工作。再次是开展了石墨烯的光化学效应研究。主要包括制备氧化石墨烯/高分子复合透明薄膜，并研究其紫外屏蔽性能的工作；以及结合快速反应化学的研究方法，研究氧化石墨烯抑制光敏氧化效应的新性能，并揭示其保护生物分子的机理等工作。上述工作都取得了较好的研究成果，为辐射化学用于功能石墨烯材料的制备、改性及性能研究等方面提供了理论指导和实验方法。