氮摻雜碳微球和碳量子點的制備及其性能研究.pdf

1、氮摻雜多孔碳是一類重要的碳材料，它具有較大的比表面積，良好的導(dǎo)電性和親水性，在超級電容器電極、非均相催化和氧還原催化等方面有很廣泛的應(yīng)用。氮摻雜碳量子點是另一類新型碳材料，它具有較高的熒光強度、低毒性和生物相容性等特點，在離子或分子熒光探針方面有重要的應(yīng)用前景。采用合適原料，通過簡單高效方法合成氮摻雜碳材料，充分發(fā)掘其應(yīng)用潛力對碳材料的開發(fā)和性能拓展有積極意義。啤酒富含氨基酸、糖類等多種營養(yǎng)成分，可作為理想的碳氮源來通過溶劑熱操作制備元

2、素摻雜碳材料。本文采用啤酒作為前驅(qū)體，通過簡單的水熱反應(yīng)同時合成氮摻雜多孔碳微球和碳量子點，微球材料在超級電容器及氧還原電極材料和非均相催化方面都展示出良好的應(yīng)用性能，而碳量子點呈現(xiàn)出較高的熒光量子產(chǎn)率和優(yōu)越的熒光穩(wěn)定性，我們對這兩類材料進行細致的結(jié)構(gòu)表征和性能分析，主要內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　(1)以啤酒為前驅(qū)體水熱合成了多孔氮摻雜碳微球(PCM)沉淀，通過用ZnCl2高溫活化得到高比表面積、導(dǎo)電性和親水性良好的多孔氮摻雜碳

3、微球(a-PCM)。對a-PCM進行結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部碳骨架上的吡啶型氮和石墨型氮對a-PCM的應(yīng)用性能有很大的幫助。作為超級電容器電極a-PCM能提供較高電雙層電容和一定的贗電容，在1 A/g電流密度下，其比電容為273.2 F/g，這在合成的各種碳微球種類中是比較高的。
　　(2) a-PCM可作為非金屬催化劑對4-硝基苯酚的還原反應(yīng)有較高的催化活性。結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，氮元素的摻雜可改變相鄰碳原了的電負性，使碳原子呈現(xiàn)出與金屬類

4、似的催化性質(zhì)。相比傳統(tǒng)的貴金屬催化劑，a-PCM作為非金屬催化劑能夠有效降低催化劑成本，在非均相催化方面有很大應(yīng)用潛力。
　　(3) a-PCM可用作氧還原反應(yīng)(ORR)的陰極催化劑，替代傳統(tǒng)的Pt或Pt基催化材料。將a-PCM用于堿性氧還原體系，能展示出較高的氧還原催化活性。因此，將a-PCM作為氧還原催化將極大地降低成本并且進一步提高氧還原催化活性。
　　(4)以啤酒為前驅(qū)體水熱也同時合成了氮摻雜碳量子點(NCQDs)水

5、溶液，該NCQDs對酸堿度敏感，再結(jié)合氮摻雜碳量子點都具有的生物相容性的特點，可以將NCQDs作為pH敏感的熒光探針應(yīng)用于生物醫(yī)學方面。另外，向NCQDs中加入不同的陽離子和陰離子(400μM)后，發(fā)現(xiàn)其熒光強度幾乎沒有發(fā)生變化，說明NCQDs的抗干擾能力很強;同時，NCQDs在干燥狀態(tài)仍呈現(xiàn)出良好熒光性能。
　　(5)將NCQDs與氧化石墨烯(GO)作為反應(yīng)物，經(jīng)過水熱后形成了三維柱狀的石墨烯/氮摻雜碳量子點(3DG/NCQDs