本文關(guān)鍵詞：納米復(fù)合材料界面電子轉(zhuǎn)移對(duì)光、電催化性能影響的研究　出處：《上海交通大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：納米復(fù)合材料作為一類重要的功能材料,是經(jīng)由不同結(jié)構(gòu)單元在微納尺度或分子水平上復(fù)合或組裝所形成的一類新型材料。通過復(fù)合,各結(jié)構(gòu)單元在性能互補(bǔ)的基礎(chǔ)上,可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),從而賦予納米復(fù)合材料獨(dú)特的性質(zhì)。納米復(fù)合材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。在催化應(yīng)用領(lǐng)域,納米復(fù)合材料在催化反應(yīng)過程中,常常與反應(yīng)物之間或自身各結(jié)構(gòu)單元之間發(fā)生界面電子轉(zhuǎn)移的過程,探究納米復(fù)合材料在催化反應(yīng)過程中界面電子的轉(zhuǎn)移形式,對(duì)于調(diào)控其催化性能至關(guān)重要�；谝陨峡紤],本論文以催化應(yīng)用為導(dǎo)向,設(shè)計(jì)合成了一系列具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的新型納米復(fù)合材料,系統(tǒng)探究了一系列納米復(fù)合材料在催化反應(yīng)過程中的光、電驅(qū)動(dòng)的界面電子轉(zhuǎn)移過程,旨在建立納米復(fù)合材料界面電子轉(zhuǎn)移與催化性能的關(guān)系。論文取得的主要研究結(jié)果如下:首先,我們以碳基納米復(fù)合催化劑中碳碳結(jié)構(gòu)單元之間的界面電子轉(zhuǎn)移為研究對(duì)象,將天然生物質(zhì)模板作為原料,合成了“樹葉狀”氮摻雜石墨烯與納米碳纖維復(fù)合材料(CNF@NG),結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),氮摻雜石墨烯與納米碳纖維高度復(fù)合,有利于二者間的界面電子轉(zhuǎn)移,保證電子通過納米碳纖維快速轉(zhuǎn)移至氮摻雜的石墨烯催化活性位點(diǎn)。此外,納米碳纖維支撐的三維多孔結(jié)構(gòu)有助于反應(yīng)物質(zhì)在材料表面的傳輸。在此基礎(chǔ)上,我們將CNF@NG納米復(fù)合材料應(yīng)用于燃料電池陰極氧還原電催化反應(yīng),表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的催化活性、單一的選擇性和超高的穩(wěn)定性。其次,我們以碳基納米復(fù)合催化劑中碳與過渡金屬硫化物之間的界面電子轉(zhuǎn)移為研究對(duì)象,將一整張氮摻雜石墨烯與納米碳纖維復(fù)合碳紙(CPs)作為基底,在其表面修飾超薄MoS_2納米片,得到了三維多孔MoS_2-CPs復(fù)合碳紙材料。結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),由于結(jié)構(gòu)單元MoS_2與CPs之間的強(qiáng)相互作用限制了MoS_2納米片的生長(zhǎng),得到的MoS_2具有超薄且富含大量缺陷的特點(diǎn),這有利于MoS_2活性邊緣的暴露,同時(shí),MoS_2與CPs之間的強(qiáng)相互作用有助于電子在界面間快速轉(zhuǎn)移,促進(jìn)催化反應(yīng)的進(jìn)行。此外,CPs的三維多孔結(jié)構(gòu)有利于反應(yīng)物質(zhì)和產(chǎn)物的擴(kuò)散,很大程度上提高了催化反應(yīng)的效率。在此基礎(chǔ)上,我們將MoS_2-CPs復(fù)合碳紙作為大面積工作電極應(yīng)用于電催化制氫反應(yīng)中,研究發(fā)現(xiàn)無論在酸性和堿性電解液中,MoS_2-CPs均表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化制氫活性,并展現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性能。為了證明以尿素?zé)峥s聚形成的氮化碳模板合成石墨烯基納米復(fù)合材料的普適性,我們以廢紙(如打印紙、濾紙、牛皮紙、餐巾紙、廢報(bào)紙和掛歷紙)為原料,以尿素作為唯一添加劑,一步熱處理得到了表面類“樹枝狀”碳紙復(fù)合材料(GCCP)。結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),GCCP表面特征為氮摻雜石墨烯和納米碳纖維覆蓋微米碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu),形成了一種類“樹枝狀”的多級(jí)分層納米復(fù)合結(jié)構(gòu),該復(fù)合結(jié)構(gòu)賦予了GCCP表面超疏水特性,可以直接用于油水分離應(yīng)用,且分離效率超過95%;同時(shí),高度石墨化的GCCP展現(xiàn)了優(yōu)異的導(dǎo)電性能,可以直接作為導(dǎo)電碳紙或復(fù)合制成柔性電極使用;此外,GCCP碳紙?jiān)谝幌盗须姶呋磻?yīng)中表現(xiàn)出了較好的催化活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性。此外,我們還以介晶復(fù)合氧化物催化劑中介晶表面的界面電子轉(zhuǎn)移為研究對(duì)象,將介晶BaZrO_3中空納米球作為模型,通過簡(jiǎn)單的熱處理方式,逐漸改善了空心球殼的晶化程度,得到的高結(jié)晶度介晶BaZr O_3中空納米球具有高效的光解水以及光降解甲基橙能力。研究發(fā)現(xiàn),空心球殼結(jié)晶度的提高為光生電子轉(zhuǎn)移提供了高速通道,促進(jìn)了材料表面的電荷快速分離,從而提高了材料的光催化活性。
[Abstract]:The nano composite material as a kind of important functional materials, through different structural units in a new type of micro nano materials forming composite or assembly scale or molecular level. Through the compound, the structural units based on complementary properties, can produce synergistic effect, thus giving properties of nano composite materials unique nano composite. Material due to its unique structure, has been widely used in all areas of people's lives. In catalytic applications, nano composite materials in catalytic reaction process, the process of interfacial electron transfer occurs between the reactants or its often units between the catalytic reaction process of interfacial electron transfer form of nano composite research materials for the regulation of the catalytic performance is very important. Based on the above considerations, the catalytic application oriented, with a series of unique structure and excellent design and synthesis New type of nano composite material properties, inquiry into a series of nano composite materials in catalytic reaction in the process of light, electric driven interface electron transfer process, aimed at establishing the relationship of nano composite materials interfacial electron transfer and catalytic performance. The main results are as follows: firstly, we at the interface between electrons of carbon structure unit based on carbon nano composite catalyst transfer as the research object, the natural biomass template as raw material, the synthesis of "leaves" nitrogen doped graphene and carbon fiber composite materials (CNF@NG), structure analysis, nitrogen doped graphene and carbon nanofibers highly composite, interfacial electron transfer between the two to the guarantee of electrons through the catalytic site of graphene nano carbon fiber rapid transfer to nitrogen doping. In addition, the three-dimensional porous structure of nano carbon fiber supports help to reactant In the transmission quality of material surface. On this basis, we will apply the CNF@NG nano composite material in cathode oxygen reduction catalytic reaction, showed excellent catalytic activity, selectivity and single high stability. Secondly, we use carbon nano catalytic agent in the interface between electrons and carbon transition the transfer of metal sulfide as the research object, a whole piece of nitrogen doped graphene and carbon fiber composite carbon paper (CPs) as the substrate, the surface modification of ultrathin MoS_2 nanosheets, the 3D porous MoS_2-CPs composite materials. The structure of carbon paper analysis found that, due to the strong interaction between the structural unit MoS_2 and CPs limit MoS_2 nano film growth, the MoS_2 has the characteristics of thin and rich in a large number of defects, which is conducive to the edge of the exposure, the activity of MoS_2 between MoS_2 and CPs at the same time, the strong interaction is helpful for electronic Fast transfer at the interface between, promote the catalytic reaction. In addition, the three-dimensional porous structure of CPs is beneficial to the diffusion of reactants and products, greatly improve the efficiency of the catalytic reaction. On this basis, we will work as a large area of MoS_2-CPs composite carbon paper electrodes for electrocatalytic hydrogen reaction, the study found no matter in acid and alkaline electrolytes, MoS_2-CPs showed excellent electrocatalytic activity for hydrogen generation, and show good cycle stability. In order to prove the formation of urea pyrolysis carbon nitride template synthesis of graphene based nano composite material of the universality, we use waste paper (such as printing paper, filter paper, kraft paper, paper napkin, waste newspapers and paper calendars) as raw materials, using urea as the only additive, a step heat treatment by surface "dendritic" carbon paper composite (GCCP). The structure analysis shows that the surface characteristics of GCCP Cover the micron carbon fiber composite structure for nitrogen doped graphene and carbon nanofibers, the hierarchical nano composite structure forms one kind of "dendritic", the composite structure gives GCCP surface super hydrophobic properties, can be directly used for oil-water separation, and the separation efficiency of over 95%; at the same time, highly graphitized GCCP show the excellent conductive properties, can be directly used as conductive carbon paper or composite made of flexible electrode; in addition, GCCP carbon paper in a series of electro catalytic reaction showed good catalytic activity and excellent stability. In addition, I also have to interface electronic mesogenic compound oxide catalyst of mesogenic surface transfer as research object, the mesomorphous BaZrO_3 hollow nanospheres as a model, by a simple heat treatment, gradually improve the crystallization degree of hollow spherical shell, hollow nanospheres have high crystallinity mesocrystal BaZr O_3 It has the ability of photolysis and photocatalytic degradation of methyl orange. It is found that the increase of crystallinity of hollow spherical shell provides a high-speed channel for photoelectron transfer, and accelerates the rapid separation of charge on the surface of the material, thus improving the photocatalytic activity of the material.

【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB33;TB383.1

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本文編號(hào)：1418119