發(fā)布時(shí)間：2017-10-24 09:34

  本文關(guān)鍵詞：氮摻雜石墨烯的制備及其催化性能的研究

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【摘要】：2004年,Geim和Novoselov首次報(bào)道制備出單層的石墨烯,引起科學(xué)界的研究熱潮。石墨烯完美的二維晶體結(jié)構(gòu)賦予了其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。迄今為止,石墨烯的制備方法有很多,氧化還原法是最常用的制備方法之一。氧化還原法主要是石墨通過化學(xué)氧化可得到具有豐富含氧基團(tuán)的石墨氧化物(graphite oxide),這些含氧基團(tuán)包括羥基、羧基和環(huán)氧基等。這些含氧官能團(tuán)的引入不僅使石墨烯具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì),同時(shí)也增強(qiáng)了石墨烯的親水性,為其進(jìn)一步功能化改性提供了更多的活性位點(diǎn)。近期,以石墨烯及其衍生物為代表的碳基材料表現(xiàn)出有趣的非金屬催化性質(zhì),成為新的研究熱點(diǎn)。由于石墨烯的活性位點(diǎn)少,非金屬催化活性和選擇性不盡如人意,不足以替代貴金屬成為催化劑。為了彌補(bǔ)其缺陷,對(duì)其進(jìn)行雜原子摻雜是一種新穎的高效途徑,如氮(N)摻雜、磷(P)摻雜、硼(B)摻雜等。本文選用N原子為雜原子進(jìn)行摻雜改性,系統(tǒng)研究摻雜改性后N摻雜石墨烯的非金屬催化性質(zhì),并提出非金屬催化機(jī)理。主要研究工作如下：(1)通過改性Hummers法制備氧化石墨烯(GO),以其為碳源,氨水為氮源,經(jīng)過一步水熱合成法簡便地制備出氮摻雜的石墨烯(N-RGO),并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的表征和分析。選用對(duì)硝基苯酚催化加氫為反應(yīng)模型,觀察氮摻雜石墨烯對(duì)對(duì)硝基苯酚催化還原后溶液顏色的變化以及紫外譜圖的分析,歸納出反應(yīng)模型符合準(zhǔn)一級(jí)的動(dòng)力學(xué)速率方程,與貴金屬(如Pt、Au等)相同。隨著合成GO濃度的增大,N-RGO的表觀速率常數(shù)先增大后減小,當(dāng)N-RGO濃度為5mg/mL,其催化活性最高,速率常數(shù)最大可達(dá)到0.34 s-mg-1。(2)將氮摻雜的石墨烯分別通過DOPA、ABTS和TMB的緩沖液中。觀察各溶液顏色的變化,將反應(yīng)后的溶液分別通過UV-Vis測試,并觀測各譜圖峰的位置。選擇TMB作為模型分子,分別通過改變?nèi)芤旱膒H值和溫度,測出氮摻雜石墨烯在不同pH值和溫度下的紫外吸收譜圖,根據(jù)其在652 nm處的峰值大小進(jìn)行比較,可得出該催化氧化反應(yīng)時(shí)最優(yōu)的pH值(pH=3.5)和溫度(55℃)。并求出35℃下不同濃度的N-RGO的米氏常數(shù),更優(yōu)于HRP。未來,其作為模擬酶可替代HRP在生物醫(yī)療和環(huán)境檢測方面的應(yīng)用。(3)采用簡單水熱合成法制備的氮摻雜石墨烯經(jīng)冷凍干燥后,可制備出新穎的各向異性的氮摻雜石墨烯氣凝膠,用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀測氮摻雜石墨烯氣凝膠的表面結(jié)構(gòu),氮摻雜石墨烯氣凝膠空間結(jié)構(gòu)外形似圓柱體,從該圓柱體的上表面觀察該圓柱體似石墨烯片層堆積而成,其方向沿孔徑通道呈單方向通道。從該圓柱體的上表面及兩個(gè)側(cè)面三個(gè)不同的方向滴入等體積混合的NaBH4和對(duì)硝基苯酚溶液,觀察通過該圓柱體三個(gè)方向后的溶液顏色變化,并將其通過UV-Vis,根據(jù)譜圖峰值的大小,可得出這三個(gè)方向的催化活性的大小,然后在改變氮含量及溶液的流速分別重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),可觀察這三個(gè)方向的催化活性的大小,無論在何種情況下,該圓柱體的上表面是催化活性最高的接觸面,為提高該催化劑的催化效率提供了一個(gè)新的方法。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯 功能化 氮摻雜 氮摻雜的石墨烯
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O613.71;O643.36
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-28
• 1.1 石墨烯概述11-20
• 1.1.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)12-14
• 1.1.2 石墨烯的制各14-18
• 1.1.3 石墨烯的應(yīng)用18-20
• 1.2 石墨烯的功能化修飾20-22
• 1.2.1 共價(jià)鍵功能化21
• 1.2.2 非共價(jià)鍵功能化21-22
• 1.3 氮摻雜石墨烯22-25
• 1.3.1 氮摻雜石墨烯的制備方法22-25
• 1.4 氮摻雜石墨烯的性質(zhì)與應(yīng)用25-26
• 1.5 論文選題依據(jù)和主要內(nèi)容26-28
• 第二章 氮摻雜的石墨稀的制備及催化還原性能的研究28-36
• 2.1 研究背景28
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分28-31
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)原料與實(shí)驗(yàn)儀器28-29
• 2.2.2 改性Hummer法制備氧化石墨烯(GO)29-30
• 2.2.3 氮摻雜石墨烯的制備30
• 2.2.4 催化劑活性的測試30
• 2.2.5 表征與測試30-31
• 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論31-35
• 2.3.1 不同氨水濃度下制備的氮摻雜石墨烯的紅外光譜圖31-32
• 2.3.2 氮摻雜石墨烯催化還原的機(jī)理32-33
• 2.3.3 不同濃度的氮摻雜石墨烯的表觀速率常數(shù)的測定33-35
• 2.4 本章小結(jié)35-36
• 第三章 氮摻雜石墨烯的催化氧化性能的研究36-47
• 3.1 研究背景36
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分36-39
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)原料與實(shí)驗(yàn)儀器36-37
• 3.2.2 緩沖液的配制37-38
• 3.2.3 氮摻雜石墨烯的催化評(píng)估38-39
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論39-46
• 3.3.1 氮摻雜石墨烯催化氧化反應(yīng)39-40
• 3.3.2 氮摻雜石墨烯催化氧化的機(jī)理40-43
• 3.3.3 pH值對(duì)氮摻雜石墨烯催化活性的影響43-44
• 3.3.4 溫度對(duì)氮摻雜石墨烯催化活性的影響44
• 3.3.5 離子強(qiáng)度對(duì)氮摻雜石墨烯催化活性的影響44-45
• 3.3.6 米氏常數(shù)的測定45-46
• 3.4 本章小結(jié)46-47
• 第四章 各向異性的氮摻雜石墨烯氣凝膠的制備及催化活性的調(diào)控47-57
• 4.1 研究背景47-48
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分48-50
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)原料與實(shí)驗(yàn)儀器48
• 4.2.2 氮摻雜石墨烯氣凝膠的制備48-49
• 4.2.3 表征與測試49-50
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論50-55
• 4.3.1 氮摻雜石墨烯的氣凝膠微觀形貌50-51
• 4.3.2 氮摻雜石墨烯氣凝膠的表面結(jié)構(gòu)51-53
• 4.3.3 氮摻雜石墨烯氣凝膠的催化53-54
• 4.3.4 不同氨水濃度的氮摻雜石墨烯氣凝膠催化性能的影響54-55
• 4.3.5 不同流速對(duì)氮摻雜石墨烯氣凝膠催化性能的影響55
• 4.4 本章小結(jié)55-57
• 第五章 全文總結(jié)57-59
• 參考文獻(xiàn)59-67
• 碩士期間研究成果67-68
• 致謝68

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