以石墨烯为稳定剂合成纳米金及其催化性能研究

摘要

纳米金因为其特殊的稳定性、小尺寸效应、量子效应、表面效应和生物亲和效应等特性,使它在许多领域表现出潜在的理论和应用价值,已经成为研究最多的纳米材料之一。目前在纳米金的制备方面,广泛采用的是化学还原法。纳米金的稳定性是其性能的一个重要方面,在纳米金的制备过程中,由于易团聚,因而往往需要加入稳定剂。本文采用水溶性氧化石墨烯和还原石墨烯作为稳定剂,抗坏血酸为还原剂,通过室温液相还原法制备稳定性良好的纳米金溶液。并进一步以硝基苯类化合物的加氢还原反应为模型,研究石墨烯稳定的纳米金粒子的催化活性。主要研究结果如下:
　　 1.以天然石墨为原料,采用Hummers法制备了氧化石墨烯;以水合肼和氨水为还原剂,制备了水溶性的还原石墨烯。采用UV-Vis、XRD、XPS、FT-IR、Raman、SEM、TEM和AFM等手段表征了所制备的两种石墨烯。研究发现所得石墨烯片为单层,尺寸大小100 nm～2μm;还原后的石墨烯缺陷减少,共轭结构得到了恢复;
　　 2.以氧化石墨烯和还原石墨烯作为稳定剂,抗坏血酸为还原剂,通过室温液相还原法制备了稳定性良好的纳米金溶液。采用UV-Vis、XRD、SEM和TEM等手段对所制备纳米金形貌、粒径和晶型结构等进行了表征,结果表明所制备的纳米金为球状颗粒,粒径在25-50 nm之间。石墨烯通过表面官能团的静电排斥力实现纳米金在水中的稳定分散。初步探讨了石墨烯稳定纳米金的机理,发现由于两种石墨烯的pH值不同导致纳米金生长方式有所差别;
　　 3.采用对硝基苯酚加氢还原为对氨基苯酚的反应作为模型比较了石墨烯稳定的纳米金和柠檬酸三钠稳定的纳米金的催化活性。研究发现石墨烯稳定的纳米金相对于柠檬酸三钠稳定的纳米金具有更低的反应活化能,石墨烯作为稳定剂可以增强纳米金的催化性能;
　　 4.应用Hammett方程进一步探讨了石墨烯稳定的纳米金催化加氢还原硝基苯、对硝基苯酚、对硝基苯胺和对氯硝基苯的反应,发现石墨烯稳定的纳米金相对于柠檬酸三钠稳定的纳米金具有更低的正p值。石墨烯优秀的电子转移能力是石墨烯稳定的纳米金的催化活性得以增强的原因。