γ射线辐照修饰石墨烯纳米片的结构演化与表/界面行为研究

采用高效、普适性强的γ射线辐照技术，对石墨、碳纤维与碳纳米管等碳材料的基本构造单元─石墨烯纳米片进行功能化修饰，以求从微纳观尺度研究并解决γ射线辐照下碳材料的结构演化机理及其结构与表/界面行为关系等科学问题。探索γ射线辐照条件对石墨烯纳米片的表面化学结构、形态结构和内部精细结构的影响规律，明确γ射线辐照下石墨烯纳米片的结构演化机理；研究石墨烯纳米片结构对表/界面行为的影响规律，实现基于γ射线辐照的石墨烯纳米片表/界面行为调控。本项目首次研究辐照石墨烯纳米片的层间结构和吸附储氢性能，重点解决以下科学问题：(1)石墨烯纳米片表面与介质接枝机制;(2)石墨烯纳米片内部精细结构演变机制;(3)辐照条件参数、石墨烯纳米片结构与表/界面行为之间内在联系。项目既深化了高能射线与碳材料相互作用机制的认识，又开辟了石墨烯纳米片功能化的新方法，为石墨烯纳米片的低成本可控宏量功能化提供科学的理论依据和试验基础。

γ射线具有能量高、穿透力强等优势，γ射线辐照在碳材料结构改性领域具有效果显著、成本低、效率高以及改性均匀等特点而备受关注，但其微观结构的变化规律及其机制仍不清楚。本项目选择碳纤维、石墨、碳纳米管的基本构成单元----石墨烯作为研究对象，探索了γ射线辐照下石墨烯的原子结构、官能团以及形貌的变化，研究了功能化石墨烯在水、聚合物复合材料以及聚合物分离膜中的分散、表面行为和界面作用，取得了如下主要成果：（1）掌握了γ射线辐照条件对石墨烯表面官能团、形貌的影响，实现了γ射线辐照对氧化石墨层间结构的有效调控，并提出了基于γ射线与聚合物单体协同诱导剥离氧化石墨，一步制备有机功能化石墨烯的方法；（2）借助高能γ射线辐照构建了三维石墨烯超轻泡沫结构体，并赋予该结构体显著的力学性能优势；（3）将辐照制备的石墨烯应用于重金属吸附领域，展现了良好的吸附性能，验证了γ辐照氧化石墨一步制备功能化石墨烯的可行性；（4）在碳纤维与环氧树脂界面微区引入石墨烯增强树脂的界面过渡层，从优化界面应力传递的角度提高了复合材料的界面性能，并基于改进的RTM技术将三维石墨烯超轻结构体与环氧树脂复合，构建了有序、高分散的高性能石墨烯复合材料，开辟了新的石墨烯/聚合物复合材料制备技术；（5）将功能化石墨烯引入聚合物超滤膜领域，优化了膜的表面化学结构和孔结构，重点探讨了石墨烯表面化学结构以及迁移与分散对膜亲水和抗污染性能的影响规律和机制。此外，在该基金的资助下申请人还开展了低维碳纳米材料/非织造复合材料的构建、碳纳米材料的等离子体功能化等探索性研究工作，相关成果已发表在报告后面的论文中，受本报告篇幅限制不在此一一赘述。在完成上述研究内容的过程中，项目组已发表SCI收录论文25篇，获得国家授权发明专利2项，培养硕士研究生10名，博士研究生1名，很好地完成了项目的预期目标，并在此基础上开展了一些项目后期的探索性工作。