石墨烯具有不同于其它sp~2碳的電子結構,它具有開放的邊緣,尤其是當石墨烯的尺寸減小到納米級別時。邊緣部位的電子性質不同于體相,使其有可能應用于催化領域。但單純石墨烯與摻雜石墨烯相比,摻雜石墨烯在催化領域的應用更多一些,因為雜原子摻雜可以引入帶隙,使其電子結構發(fā)生明顯變化,進一步提升催化活性。因此,采用簡便快捷的方法制備摻雜石墨烯并應用于催化領域具有極高的研究價值。本課題制備了硼氮雙摻石墨烯(BNG)和氮磷雙摻石墨烯(NPG)分別應用于催化硝基苯類的還原反應和芐醇類的氧化反應。本文以石墨為原料,先通過球磨法制備出邊緣功能化石墨烯納米片(EFGnPs),將其與硼酸混合,再經過高溫煅燒制備BNG;將EFGnPs與六氯環(huán)三聚磷腈(HCCP)混合,經過高溫煅燒制備NPG。并通過掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和原子力學顯微鏡(AFM)檢測所制備材料的形貌結構;通過拉曼光譜(Raman)和X射線衍射(XRD)分析了材料的缺陷程度和石墨化程度;通過X射線光電子能譜(XPS)分析了所制備材料中雜原子的摻雜量和價鍵形態(tài)。本文以制備的BNG作為催化劑催化了硝基苯還原反應,實驗以乙醇作為溶劑,加入少量的還原劑水合肼和4 mg催化劑,反應3 h便可達到99%的產率。通過測試不同煅燒溫度制備的BNG的催化效果,并結合催化劑中B的價鍵形態(tài),我們分析出催化該反應主要的活性成分。此外,本文通過底物拓展測試和循環(huán)實驗測試表明BNG具有很好的適用性和循環(huán)性。此外,本文以制備的NPG作為催化劑催化了芐醇氧化反應,實驗以水作為溶劑,采用一種新的氧化體系,即叔丁基過氧化氫(TBHP)和氧氣共同作為氧化劑,加入7 mg催化劑反應12 h便可把底物氧化成相對應的酸,產率高達99%。NPG催化帶有不同官能團的芐醇化合物均表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能,而且產物選擇性很高。以上兩個實驗均表明,BNG和NPG在催化領域有著廣闊的應用空間,其更深入的催化機理還需要研究者們進一步的研究。
【學位單位】：中國石油大學(北京)
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O621.251;O643.36;TB383.1
【部分圖文】：

從而導致他們的理化性質也有較大的區(qū)別。人們也正是利用其特殊的理化性質讓這些碳材料得以應用于各個方面。石墨烯是由 Geim 與 Novoselov 通過用撕膠帶法在 2004 年發(fā)現(xiàn)的[14]，一舉震撼了整個學術界。2010 年，兩位教授因其在石墨烯領域的開創(chuàng)性工作獲得了諾貝爾物理學獎。石墨烯是由碳六元環(huán)構成的二維材料，呈蜂窩晶格狀，又稱單原子層石墨，其厚度約為 0.335 nm。石墨烯內部的碳原子以 sp2雜化軌道成鍵，并有如下特點：碳原子有 4 個價電子，其中 3 個以 sp2的形式與相鄰的三個碳原子形成平面正六邊形連接的蜂巢結構，另一個垂直于層平面的 σz軌道如苯環(huán)一樣形成貫穿全層的大π 鍵。正是由于這種特殊的電子結構使石墨烯具有優(yōu)異的電學、光學、力學以及熱學等特性[15-18]。除此之外，石墨烯還具有良好的穩(wěn)定性，這一性質推翻了二維晶體在非絕對零度無法穩(wěn)定存在的論斷[19]。石墨烯是現(xiàn)在為止發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大的新型材料，因此被成為“新材料之王”，眾多領域的科學家預測，石墨烯必將引發(fā)一場盛大的新技術革命。

要有三種方法，即 Hummers 法、Brodie 法和 Strauden：首先用濃 H2SO4 和濃 NaNO3 將石墨進行氧化，得到離得到氧化石墨烯，該方法制得的氧化石墨烯氧化程度較38]：氧化劑為濃 HNO3和 KClO3，反應一天左右。該方間較長，并且具有較低的氧化程度。aier 法[39]：KClO4作為氧化劑，以濃 H2SO4和濃 HNO3低可以由反應時間的長短控制，但該制備過程中會產生有主要有熱還原法[40, 41]、化學液相還原法[42-45]、電化學還原49]和光照還原法[50, 51]等。雖然氧化還原法制備石墨烯的模生產，但是其弊端是制備過程中會用到大量的濃酸和成一定的危害。

烯（約 2.5 cm）。他們在氫氣氣氛下，以己烷作為碳源，將管式爐min 的升溫速率加熱到 980oC 并保持 30 min，隨后讓其溫度降到室溫得均一，連續(xù)的石墨烯薄膜。G. D'Arrigo 等[59]利用甲烷為碳源，在銅基底上制備出了高質量的石。他們首先將銅箔在氫氣氣氛下加熱到 1000oC，然后通入甲烷和氫氣并保持 10 min，最后可獲得 1-4 層的高質量石墨烯。J. C. Delgadodeng 等[60]利用乙醇為碳源，在氫氣與氬氣的混合氣氛中基底成功制備了石墨烯薄層，該方法更為簡單和安全。Sonani 等[61碳源，鎳箔為基底，在 850oC 下進行反應，然后自然冷卻沉積碳源得到的石墨烯層數有 40 層，層數較多。Fujita 等[62]以非晶碳作為碳墨烯，以鎵作為基底，制得的石墨烯有 4-10 層，這些方法對 CVD和基底作出了拓展。CVD 法制備的石墨烯雖然具有較高的質量，該方法對工藝技術和儀要求都非常高，所需條件非�？量�，如果大規(guī)模制備需要考慮其經濟
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本文編號：2845983