石墨烯-金属纳米粒子复合物制备及其界面研究

摘要

石墨烯独特的二维、周期蜂窝状结构，使其具有巨大的比表面积和优异的性能，成为了复合物理想的载体及各个应用领域的宠儿。在这个倡导绿色环保的时代，解决剧毒As3+水污染问题，成为环保领域研究的热点。本论文在围绕此应用的基础上，利用石墨烯和金属粒子优异的性质，采用普通金属代替金等贵金属制备石墨烯-金属纳米粒子复合物，同时添加稀土金属制备复合物探讨其对As3+的催化性能。此外，从复合物界面作用机理出发，研究复合物界面问题，从而提高复合物性能，拓宽其应用领域。论文研究的主要结论如下；
　　1.采用改进Hummers法成功制备出氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)，通过XRD、FIIR、Raman、TEM等测试手段对其进行表征，结果显示氧化石墨烯具有明显的丁达尔效应，良好的分散性和丰富的含氧官能团。
　　2.采用较温和还原剂(NaBH4)，通过化学还原及碳热还原法制备出石墨烯-金属纳米粒子复合物(Graphene-Co nanoparticles, GE-Co—GE/Co(OH)2、GE/Co3O4、GE/Co；Graphene-Ni nanoparticles, GE-Ni—GE/Ni(OH)2、GE/NiO、GE/Ni；Graphene-Fe nanoparticle, GE-Fe—GE/Fe2O3;Graphene-Ce nanoparticle, GE-Ce—GE/CeO2)和石墨烯-双金属纳米粒子复合物(Graphene-Co-Ni nanoparticle， GE-Co-Ni(GE/CoNiO2)和Graphene-Ce-Fe nanoparticle, GE-Ce-Fe—GE/CeO2/Fe2O3)。通过对复合物物相、分子振动模式、分子结构等的表征分析结果可知：复合物中，石墨烯含氧官能团基本消失，还原程度高；金属粒子均匀地负载于石墨烯表面；不同金属粒子与石墨烯之间相互作用不同导致其生长取向不同，表现出不同的界面结构。
　　3.通过将复合物与Nafion溶液一起制备成修饰电极，采用玻碳修饰电极、铂电极和参比电极三电极体系对酸性条件下电解液中As3+做循环伏安曲线扫描，测试复合物修饰电极的催化性能。结果表明：GE/Fe2O3、GE/CeO2和GE/CeO2/Fe2O3纳米粒子复合物电极对As3+均具有催化活性，且响应灵敏度数量级可达10-5，其中GE/CeO2/Fe2O3复合物修饰电极对 As3+的催化性能最佳。在此基础上，选择催化性能最佳的GE/CeO2/Fe2O3复合物修饰电极对废水进行As3+的催化性能测试，结果显示该复合物修饰电极能够对废水中As3+做出响应，且催化效应良好，灵敏度达10-4。这与前面实验中催化效应相比，提升了一个数量级。这表明稀土金属Ce特殊的电子结构与石墨烯复合能够促进石墨烯催化性能的表现，此外，CeO2与 Fe2O3两种金属氧化物与石墨烯结合，起到相互协同作用。
　　4.结合不同金属纳米粒子复合物及双金属纳米粒子复合物界面表征数据，研究、分析了复合物的界面形成过程，并探讨了由杂质、缺陷、空穴、不同金属粒子负载石墨烯复合物、双金属粒子负载石墨烯复合物和不同价态金属粒子(同一金属)负载石墨烯复合物所产生的不同的界面相互作用机理，进而分析其对复合物界面能的影响，映射出复合物性能不同的本质。为复合物性能的提高，提供了可靠的理论依据。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 石墨烯的研究概况

1.2石墨烯基复合物的研究

1.3 石墨烯基复合物界面研究

1.4 论文研究目的、内容及创新点

第2章 石墨烯-金属纳米粒子复合物研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 石墨烯-双金属纳米粒子复合物研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 石墨烯-金属纳米粒子复合物界面研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 样品表征

4.4 石墨烯-金属纳米粒子复合物界面形成机理分析

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间已发表论文

致谢