氮摻雜石墨烯的制備及其催化性能的研究.pdf

1、2004年，Geim和Novoselov首次報道制備出單層的石墨烯，引起科學界的研究熱潮。石墨烯完美的二維晶體結(jié)構(gòu)賦予了其獨特的物理化學性質(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氧化可得到具有豐富含氧基團的石墨氧化物(graphite oxide)，這些含氧基團包括羥基、羧基和環(huán)氧基等。這些含氧官能團的引入不僅使石墨烯具有穩(wěn)定的化學性質(zhì)，同時也增強了石墨烯的親水性，為其進一步功

2、能化改性提供了更多的活性位點。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。由于石墨烯的活性位點少，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。為了彌補其缺陷，對其進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理。主要研究工作如下:
　　

3、(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)，并對其微觀結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)的表征和分析。選用對硝基苯酚催化加氫為反應(yīng)模型，觀察氮摻雜石墨烯對對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)模型符合準一級的動力學速率方程，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N-RGO濃度為5mg

4、/mL，其催化活性最高，速率常數(shù)最大可達到0.34 s-1 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處的峰值大小進行比較，可得出該催化氧化反應(yīng)時最優(yōu)的pH值(pH=3.5）和溫度

5、(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