纳米粒子/石墨烯气凝胶的构筑及性能研究

摘要

石墨烯气凝胶是一种由二维石墨烯组装而成，具有三维网络交联结构的石墨烯材料，不仅继承了二维石墨烯的导电率高、比表面积大和物理化学稳定性高等优异性能，还拥有孔隙率高和密度低等特性，受到学者的广泛关注。将石墨烯气凝胶与其他纳米粒子相结合，制备成复合材料，对推动三维石墨烯的实际应用具有重要意义。但如何实现功能化纳米粒子在石墨烯气凝胶中高效、可控和稳定的负载是目前面临的重要挑战。针对这一难题，本文发展构筑纳米粒子/石墨烯气凝胶材料的新工艺，实现纳米粒子如二氧化铈(Cerium oxide, CeO2)、银(Silver, Ag)、铂钴(Platinum Cobalt, PtCo)和铂镍(Platinum Nickel, PtNi)在石墨烯气凝胶中的负载量及微观形貌的可控，获得一系列具有优异性能的复合材料及其可控制备的工艺参数。
　　本研究主要内容包括：⑴采用稀释-浓缩和凝胶化反应的工艺，制备CeO2/石墨烯气凝胶(CeO2/graphene aerogels, CeO2/GA)可见光催化剂。稀释-浓缩的工艺有利于纳米粒子更均匀地分散在氧化石墨烯(graphene oxide, GO)片层上，凝胶化反应可将CeO2/GO片层组装成三维多孔结构。结果显示，复合材料中CeO2纳米粒子呈立方形，平均尺寸为15 nm，并均匀地分散在石墨烯气凝胶中。该材料对亚甲基蓝(Methylene Blue, MB)具有优异的吸附和降解功能，在可见光照下，18 min内，可去除98.6%的MB。⑵在CeO2/GA的制备工艺基础上，结合原位还原法，制备具有可见光催化和抗菌性能的双功能Ag/CeO2/GA复合材料。结果显示：CeO2和小尺寸的Ag同时高分散于石墨烯气凝胶中。Ag的引入进一步提升了CeO2/GA的可见光催化性能，使得Ag/CeO2/GA复合材料在18 min内可去除99.7%的MB。同时Ag的引入使得复合材料具有优异的抗菌性能，其对大肠杆菌(Escherichia coli, E.coli)的最低杀菌浓度为120 mg L-1，最低抑菌浓度为150mg L-1。⑶⑶采用自组装制备工艺获得PtM/GA(M=Ni, Co)燃料电池催化剂。首先用水热法制备PtM(M=Co, Ni)合金纳米粒子，研究了前驱体比例对所得纳米粒子的形貌、结构、组成及氧还原催化活性的影响规律。结果显示：随着Co前驱体含量的增加，PtCo粒子的形貌由单分散颗粒向枝晶状结构转变，粒径也逐渐变大；随着 Ni含量的增加，PtNi纳米粒子的形貌倾向于形成团聚体。当 Pt：Co为1:1时所得纳米粒子氧还原催化活性最优，在0.603 V(vs. Ag/AgCl)处的质量比活性和面积比活性是商业Pt/C的3.6倍和2.5倍(0.071 mgPt-1和0.084 mA cm-2)。再采用稀释-浓缩和凝胶化反应的工艺，将高活性和高分散性的PtCo合金纳米粒子与GO组装，制备PtCo/GA电催化剂，但其电催化性能仍有待进一步提高。⑷采用超声辅助化学法和凝胶化反应相结合的工艺制备 PtM/GA(M=Ni, Co)燃料电池催化剂。超声辅助化学法有助于纳米粒子中空合金结构的形成，同时防止颗粒团聚，并维持反应溶液的高分散性，凝胶化反应则有利于三维多孔网络结构的形成。结果表明，采用该方法可以获得三维石墨烯负载高分散且中空结构的PtNi或PtCo纳米粒子，而且金属前驱体的摩尔比对催化剂的粒子形貌和分散状态影响较大，当Pt:Ni(Co)前驱体摩尔比为1:1时，所得复合材料中纳米粒子分散均匀且尺寸均一，PtNi、PtCo纳米粒子尺寸分别为10 nm和20nm。其中， PtCo/GA催化剂的氧还原催化活性最优，在0.603V(vs.Ag/AgCl)电势处，其质量比活性和面积比活性分别为0.29AmgPt-1和0.32 mA cm-2，是商业Pt/C的4.1和3.8倍(0.071mgPt-1和0.084 mAcm-2)。PtCo/GA具有优异的稳定性，在20000循环后，仍有很高的氧还原催化活性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 石墨烯的制备方法

1.3 三维石墨烯气凝胶简介

1.4 三维石墨烯气凝胶的制备方法

1.5 三维石墨烯气凝胶的应用

1.6 本论文的研究内容及意义

第二章 二氧化铈/石墨烯气凝胶复合材料的制备与可见光催化性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 可见光催化性能研究

2.5本章小结

第三章 银/二氧化铈/石墨烯气凝胶复合材料制备与性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 光催化性能研究

3.5 复合材料抗菌性能研究

3.6 本章小结

第四章 铂基/石墨烯气凝胶复合材料的制备及其氧还原催化性能研究

4.1 引言

4.2 PtM合金纳米粒子的制备及表征

4.3 PtCo/GA复合材料复合材料的构筑

4.4 本章小结

第五章 超声辅助化学法制备铂基/石墨烯气凝胶复合材料及其氧还原催化性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 电化学性能研究

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文及其他科研成果