化學(xué)修飾多壁碳納米管的電催化性能研究.pdf

1、碳納米管又名巴基管，是一種重要的全碳分子材料，自1991年被日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)以來(lái)，以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和特殊的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，已成為材料科學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，激起了人們極大的研究興趣?；瘜W(xué)修飾作為一種簡(jiǎn)單、高效的處理方法，能夠明顯提高碳納米管的化學(xué)選擇性和溶解性，在碳納米管的提純、分離和應(yīng)用中成為必不可少的前處理過(guò)程。本論文主要采用電化學(xué)表征的方法，測(cè)定了不同官能團(tuán)修飾的多壁碳納米管在硝基苯還原反應(yīng)和氧氣還原反應(yīng)中

2、的電催化性能，并提出了相應(yīng)的催化機(jī)理。主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　?。?）在硝基苯還原反應(yīng)中，羥基修飾多壁碳納米管的電催化性能較好：硝基苯的特征峰尖銳，背景電流小，最低檢測(cè)限為0.08μM。而且，羥基修飾多壁碳納米管的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性較好，測(cè)量180次后仍然保持較高的催化活性。多壁碳納米管催化還原硝基苯的過(guò)程較為復(fù)雜，并與掃描的電位窗口有關(guān)。硝基苯首先得到四電子還原生成羥基苯胺，羥基苯胺可以繼續(xù)氧化成亞硝基苯，也可以脫水縮合為偶氮

3、苯，偶氮苯得到兩個(gè)氫離子生成氫化偶氮苯。如果掃描電壓高于0.8 V，羥基苯胺還可以通過(guò)Bamberger重排反應(yīng)生成對(duì)氨基酚，對(duì)氨基酚繼續(xù)反應(yīng)生成亞胺醌。
　?。?）與硝基苯還原反應(yīng)不同，羧基修飾多壁碳納米管對(duì)氧氣還原反應(yīng)的催化性能最為優(yōu)越：起峰電位最高（-0.105 V），陰極電流密度最大（-1.317 mA/cm2）。結(jié)合酸性電解質(zhì)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)官能團(tuán)在不同 pH溶液中存在狀態(tài)可能不同。在堿性電解質(zhì)中，羧基和羥基容易發(fā)生去

4、質(zhì)子化反應(yīng)，相應(yīng)的生成-COO-和-O-；而在酸性電解質(zhì)中，氨基可能會(huì)得到氫離子生成-NH3+。密度泛函理論計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。此外，多壁碳納米管的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性和對(duì)甲醇、乙醇、乙二醇的抗干擾能力明顯優(yōu)于商業(yè)用鉑炭催化劑。
　?。?）研究了MnFe2O4納米晶組裝體對(duì)硝基苯的催化還原。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MnFe2O4納米晶組裝體在磷酸鹽緩沖溶液、硫酸鈉溶液和氫氧化鈉溶液中對(duì)硝基苯都具有催化活性，且在硫酸鈉溶液中的催化活性最高。Mn