石墨烯基金屬納米修飾電極的制備及其電催化特性研究.pdf

1、納米材料由于具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及表面效應(yīng)等特有的物理和化學(xué)性質(zhì)，已成為物理、化學(xué)、材料等許多學(xué)科研究的前沿領(lǐng)域。貴金屬納米粒子是納米粒子的一個重要組成部分，由于貴金屬納米粒子具有區(qū)別于本體材料的優(yōu)異的光、電、磁、催化性能，它將貴金屬獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)與納米粒子的特殊性能有機(jī)的結(jié)合起來，在化學(xué)催化、能源、電子和生物等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。碳材料由于碳元素有獨(dú)特的sp/sp2/sp3三種雜化形式，形成了豐富多彩的碳質(zhì)材料世界。近

2、二十幾年來，從零維的富勒烯到一維的碳納米管，再到近期的二維石墨烯，因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫膶?dǎo)電性和高的比表面積，使得碳材料是理想的載體材料，而石墨烯是緊密堆積的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)的碳原子晶體，與其它兩種碳材料相比（富勒烯和碳納米管），石墨烯具有更大的比表面積及更好的導(dǎo)電能力，使得其被認(rèn)為是當(dāng)今最好的催化劑載體之一。本論文結(jié)合貴金屬納米粒子及石墨烯兩者的催化性能，報道了貴金屬納米粒子與石墨烯構(gòu)成的修飾電極，將其用于硝基酚的電催化還原，以及對葡萄糖的

3、電催化氧化，研究了其催化反應(yīng)的機(jī)理，拓展了石墨烯負(fù)載貴金屬納米材料在電化學(xué)和水處理中的應(yīng)用。本論文主要分為以下四個部分:
　　1.電沉積納米鈀修飾玻碳電極對間硝基酚的電催化還原
　　采用電化學(xué)沉積法制備了納米鈀修飾玻碳電極（Pd/GCE），并用掃描電鏡研究了納米鈀的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)在最佳沉積電位范圍內(nèi)得到的納米鈀尺寸約在20-50 nm且均勻地分散在玻碳電極的表面，此電極對間硝基酚的還原有很好的電催化性能。利用循環(huán)伏安法研究了Pd

4、/GCE電極對間硝基酚溶液的電催化還原行為，結(jié)果表明:與裸玻碳電極相比，在Pd/GCE電極上的硝基酚的還原電位明顯向正電位方向移動;同時伴隨著電流增大。恒電位電解證實(shí)，在相同電位下，Pd/GCE電極上的硝基酚的還原電流約為GCE電極上的20倍。并研究了電沉積電位對電極催化性能的影響，及考察了不同pH值對Pd/GCE電極催化性能的影響。同時，用X-射線光電子能譜(XPS)檢測了鈀存在于玻碳電極表面。
　　2.石墨烯修飾玻碳電極對間硝

5、基酚的電催化還原
　　采用一種簡單的方法制得了石墨烯修飾的玻碳電極(RGO/GCE)，并將其用于對硝基酚的電催化還原研究。利用循環(huán)伏安法和線性掃描伏安法研究了RGO/GCE電極對間硝基酚的電催化還原行為，結(jié)果表明，與裸玻碳電極(GCE)和氧化石墨烯電極(GO/GCE)相比，在RGO/GCE電極上，硝基酚的還原電位比在GCE或GO/GCE電極上的還原電位明顯向正電位方向移動，且電流增大很多。同時考察了不同pH值對RGO/GCE電極催

6、化性能的影響，以及不同濃度時硝基酚的電催化還原，并對其還原機(jī)理進(jìn)行了探討。
　　3.石墨烯基金納米粒子修飾電極對堿性溶液中葡萄糖溶液的電催化氧化
　　在前面石墨烯修飾玻碳電極的基礎(chǔ)上，本文在RGO/GCE電極的表面進(jìn)一步修飾貴金屬納米粒子，并研究它的催化作用。在本文中，用恒電位法，在不同電位下沉積納米金于石墨烯修飾的玻碳電極上，制成Au/RGO/GCE電極，實(shí)驗(yàn)證明:在-0.3 V(vs.SCE)下，電沉積金為250μg c

7、m-2時，金納米粒子的尺寸約為70 nm時，這種Au/RGO/GCE電極對葡萄糖表現(xiàn)出最好的催化活性，主要原因是較小粒徑的金納米粒子均勻地沉積在RGO/GCE的表面。通過對堿性溶液中葡萄糖的電化學(xué)行為的詳細(xì)研究，得到了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有利于對堿性溶液中葡萄糖的電化學(xué)氧化機(jī)理進(jìn)一步的了解。同時Au/RGO/GCE電極表現(xiàn)出較好的電化學(xué)穩(wěn)定性，快速的電子轉(zhuǎn)移能力，以及高的電流密度（相對于其它文獻(xiàn)的金電極）。同時XPS光譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在本文

8、的實(shí)驗(yàn)條件下，金沒有被氧化。
　　4.石墨烯基金一銀納米粒子修飾電極對堿性溶液中葡萄糖的電催化氧化研究
　　用恒電位法，在-0.3 V(vs.SCE)下，沉積一定量的納米金和銀于石墨烯修飾的玻碳電極上，制成Au/Ag/RGO/GCE和Ag/Au/RGO/GCE電極，用此兩種電極來研究堿性溶液中的葡萄糖的電化學(xué)氧化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:銀在雙金屬電極中起到了很好的電催化葡萄糖氧化的作用，沉積的金與銀的質(zhì)量比對葡萄糖的電氧化行為影響較

9、大。Au/Ag/RGO/GCE和Ag/Au/RGO/GCE電極的催化活性和穩(wěn)定性通過循環(huán)伏安法來考察。在堿性溶液中葡萄糖的氧化過程中，在0.24 V附近的葡萄糖的氧化峰電流在雙金屬電極上的值是金電極上的4.5倍。此增強(qiáng)的電流密度可能是由于金與銀的協(xié)同催化作用引起的。其中，Ag/Au/RGO/GCE電極在0.1 M NaOH中的10mM葡萄糖溶液中經(jīng)過500圈的循環(huán)伏安掃描后，其電流下降只有26.2％，其穩(wěn)定性優(yōu)于Au/Ag/RGO/GC