Au@rGO-PEI复合材料的制备及光热性能研究_许立男.pdf

11AurGO-PEI 复合材料的制备及光热性能研究许立男林嘉文（北华航天工业学院 材料工程学院，河北 廊坊 065000）摘要：太阳能作为一种可直接利用且可持续利用的清洁能源，有着巨大的开发应用潜力。利用太阳能的有效方法之一是光热转化，因此，高效的光热转换材料成为太阳能有效利用的关键。本研究通过在石墨烯表面引入供电子基团并原位复合金纳米片，双重增强了材料的光热性能。最优条件下制备的A u r G O-P E I（A u 与r G O-P E I 的质量比为1:1.2 5，负载量1 m g/c m2），材料表面温度达到最高（7 6 ）。关键词：石墨烯，金纳米片，光热性能中图分类号：T B 3 3 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 3-7 9 3 8（2 0 2 3）0 1-0 0 1 1-0 30 引 言自然界中，太阳能作为丰富的可再生能源，如何有效的收集和利用太阳光得到科学工作者的重视。太阳能的光热转化是最为有效的一种太阳能转化和利用形式，由于太阳光辐射的能量主要分布在可见光和近红外光部分（4002500nm），因此，高效的、广谱的太阳光辐射吸收材料是太阳能光热转化的关键因素。光吸收材料主要有两类：碳基吸收材料和等离子吸收材料。其中，碳材料自身呈现黑色，是良好的宽带太阳光吸收材料。碳基材料的太阳光吸收过程包括电子的激发和随后的弛豫，电子-电子和电子-声子的散射使得激发的后的电子快速转化为热量1。目前为止，作为光吸收体的碳材料包括炭黑、石墨、碳纳米管、还原氧化石墨烯以及各类碳基复合材料等，都表现出优异的光吸收性能。其中，石墨烯（Graphene）的光学透过率极高，但当石墨烯片层聚集在一起时，其对可见光和近红外波段光的吸收率显著增强2，是优秀的光热转换材料。贵金属纳米材料由于具有特殊的表面等离子体共振（SPR）效应，使其具有较强的光吸收性能和较高的光热转换效率，如金纳米粒子与光相互作用时，贵金属纳米材料在光的频率上共振，将光能转化为热能。以往的制备方法复杂，对于光热材料双重增强光热效应的研究相对较少。本研究中，以碳材料-石墨烯（GO）为基础材料，以聚乙烯亚胺（PEI）作为电子供体对GO表面进行还原改性，以丰富GO表面电子；进一步的，通过一步法原位复合贵金属纳米粒子-金（Au），从而，实现材料光热性能的双重增强。该复合光热材料制备方法简单，不需贵重设备仪器的使用，有望实现商业化生产。1 实验部分1.1 实验材料GO购自Tanshiji Co.Ltd.，Beijing；氯金酸（HAuCl4 3H2O，98%）和聚乙烯亚胺（PEI，M.W.70，000，50%水溶液）购自 Aladdin。1.2 样品制备rGO-PEI样品制备：将2 g PEI和0.2 g KOH分散在100 mL，1 mg/mL的GO水溶液中，在80下搅拌10 h，得到含rGO-PEI的混合溶液。最后，将混合溶液经离心和水洗3 次后，经冷冻干燥得到样品，记为rGO-PEI。AurGO-PEI样品制备：将rGO-PEI在氯金酸基金项目：河北省自然科学基金（B 2 0 2 1 4 0 9 0 0 4），河北省科技支撑计划项目（1 8 2 7 1 4 1 0），廊坊市科技支撑计划项目（2 0 2 1 0 1 1 0 0 8），北华航天工业学院青年基金项目（K Y-2 0 2 0-0 1）收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 4第一作者简介：许立男（1 9 9 0-），博士，讲师，主要研究方向为电催化材料、光热材料、超级电容器等。第 33 卷第 1 期2023 年 02 月北华航天工业学院学报Journal of North China Institute of Aerospace EngineeringVol.33 No.1Feb.202312溶液中浸泡10 h，然后用去离子水洗涤并在空气中干燥得到样品，记为AurGO-PEI。通过氯金酸的质量来控制Au与rGO-PEI质量比。1.3 测试表征扫描电镜（SEM，JEOL-JSM-7600F microscope）对样品形貌进行表征；使用红外摄像机（FLIR Systems，Inc.）测量并记录光热材料热端温度；利用紫外-可见光谱（Uv-vis，UV-2600）和傅立叶变换红外光谱仪（FTIR，Bruker Tensor FTIR）对样品进行组分表征。2 结果与讨论样品rGO-PEI是以PEI为改性剂，在80 碱性条件下反应10 h得到的。利用Uv-vis和FTIR对制备的rGO-PEI进行组分表征，如图1 所示。PEI改性并还原GO的过程如图1（a）所示。如图1（b）光学照片显示，经过PEI改性后溶液颜色由灰黄色（GO）转变为黑色（rGO-PEI）。通过紫外-可见光谱可以看出，234 nm处为GO的典型特征峰3，经过改性后该特征峰由于还原反应而消失。此外，从红外图谱中可以看出（图1（c），2948、2876 cm-1和1648、1572、1474、1287 cm-1处的峰可以归为GO（分别为甲基和亚甲基伸缩振动）和PEI（分别为C=O伸缩振动、N-H弯曲振动和C-N伸缩振动）4。以上结果证明GO成功被表面改性和还原，得到rGO-PEI。PEI作为电子供体4，使得rGO-PEI具有高的光热性能。图 1（a）r G O-P E I 制备示意图；（b）G O和 r G O-P E I 的U v-v i s 光谱；插图为其溶液的光学照片，溶剂为水；（c）G O，P E I 和 r G O-P E I 的 F T I R图谱；（d）金纳米离子在石墨烯表面原位还原的示意图为了进一步提高材料的光热性能，通过自发氧化还原反应在改性石墨烯表面沉积金纳米结构。为阐明金纳米结构形成的原因，给出了相应的反应机理，如图1（d）所示。以往研究表明，石墨烯中的-sp2充当电子池，可作为Au+还原剂5，因此，Au纳米结构会在rGO-PEI表面自发形成。如图2（e）和（f）为rGO-PEI还原Au+形成Au纳米片的SEM照片及相应的元素映射图。由于Au纳米结构的等离子体效应，从而使AurGO-PEI具有增强的光热性能。图 2 A u 与 r G O-P E I 不同质量比的 S E M照片（a）1:2.5，（b）1:1.2 5 及（c）相应的局部放大图，（d）1:0.8 3；（e）r G O-P E I 还原A u+形成A u 纳米片的S E M照片及相应的（f）元素映射图为了优化AurGO-PEI的光热性能，进一步系统研究了不同Au负载下AurGO-PEI的光热性能。图2（a）-（d）为不同质量比Au和rGO-PEI（1:2.5，1:1.25 和1:0.83）的SEM照片，从图中可以看出随着Au比例的增加，Au纳米片在复合物中的分布更加密集。采用抽滤法制备AurGO-PEI薄膜（尺寸:11 cm2，负载量1 mg/cm2）在1 个太阳下用红外相机进行光热检测，如图3（a）所示。与rGO-PEI相比，由于金的等离子体共振效应，金纳米结构的加入改善了rGO-PEI的光热性能，如图3（b）所示。当Au和rGO-PEI质量比为1:1.25 时（负载量1 mg/cm2），材料表面温度达到最高（76），表明该质量比条件下达到最优的光热性能。图3（c）为AurGO-PEI（1:1.25）和rGO-PEI的Uv-vis光谱，可以看出Au在450 nm和750 nm的特征峰，也进一步证明了Au与rGO-PEI复合成功。但过量的金含量不利于提高rGO-PEI的光热性能，这是由于金的可穿透光学深度浅，约为几十纳米6（如图3（d）。北华航天工业学院学报第 1 期2023 年 02 月13许立男等：AurGO-PEI复合材料的制备及光热性能研究第 1 期2023 年 02 月图 3 （a）A u r G O-P E I 的 太 阳 热 检 测 示 意 图；（b）r G O-P E I 和不同质量比的 A u r G O-P E I 的红外图像（分别为1:2.5，1:1.2 5，1:0.8 3）；（c）A u r G O-P E I（1:1.2 5）和 r G O-P E I 的 U v-v i s 光谱；（d）不同 A u含量的 A u r G O-P E I 光热差异机理解释图3 结 语本研究制备了金复合还原氧化石墨烯（AurGO-PEI）的光热材料。结果表明，金纳米结构的加入改善了rGO-PEI的光热性能，但过量的金含量不利于提高rGO-PEI的光热性能，当Au和rGO-PEI质量比为1:1.25 时，AurGO-PEI达到最优的光热性能。参考文献：1 Tao P.，Ni G.，Song C.，et al.Solar-driven interfacial evaporationJ.Nature Energy，2018，3（12）：1031-1041.2 Stankovich S.，Dikin D.A.，Dommett G.H.B.，et al.Graphene-based composite materialsJ.Nature，2006，442（7100）：282-286.3 Ding Y.H.，Zhang P.，Zhuo Q.，et al.A green approach to the synthesis of reduced graphene oxide nanosheets under UV irradiationJ.Nanotechnology，2011，22（21）：215601.4 Tong W.S.，Zhang Y.H.，Zhang Q.，et al.Achieving significantly enhanced dielectric performance of reduced graphene oxide/polymer composite by covalent modification of graphene oxide surfaceJ.Carbon，2015，94：590-598.5 Wang J.，Dong X.C.，Xu R.，et al.Template-free synthesis of large anisotropic gold nanostructures on reduced graphene oxideJ.Nanoscale，2012，4（10）：3055-3059.6 Almond D.P.，Patel P.，Patel P.M.Photothermal science and techniquesM.Springer Science&Business Media，1996.Preparation and Photothermal Properties of AurGO-PEI CompositesXu LinanLin Jiawen（School of Materials Science&Engineering，North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang 065000，China）Abstract:Solar energy as a kind of clean energy which can be used directly and sustainably has a great potential for development and application.One of the effective methods to utilize solar energy is photothermal conversion.Therefore，high-efficient photothermal conversion materials become the key to utilize solar energy.In this study the photothermal properties of graphene are enhan