氮掺杂三维石墨烯负载纳米贵金属催化剂的制备、表征及性能研究

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1、学号：12102314常州大学硕士学位论文氮掺杂三维石墨烯负载纳米贵金属催化剂的制备、表征及性能研究研究生李娟指导教师秦勇学科、专业名称有机化学研究方向有机催化2015年5月Preparation，CharacterizationandPerformanceofN-dopedThree-dimensionalGraphene-supportedNobleMetalNanoparticlesCatalystADissertationSubmittedtoChangzhouUniversityByLiJuan（OrganicChemistry）DissertationSuperviso

2、r:Prof.QinYongMay，2015常州大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中以明确方式标明。本人已完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权的说明本学位论文作者完全了解常州大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属常州大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被

3、查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。学位论文作者签名：签字日期：年月日导师签名：签字日期：年月日中文摘要石墨烯（Graphene）因为具有奇特的光、电、热及机械性能受到了全世界科研人员的广泛关注。经杂原子掺杂，尤其是氮原子掺杂改性的石墨烯，可有效改善石墨烯的电子特征，因而大大提高石墨烯的性能。但是，无论是石墨烯还是氮掺杂石墨烯，均因为其具有很高的表面能而团聚。三维（Threedimensional

4、，3D）石墨烯是由二维平面（TwoDimensional，2D）石墨烯单元自组装形成的结构体，可以有效避免2D石墨烯基材料易于团聚的缺点。然而，目前文献报道的3D石墨烯，片与片之间链接的作用力主要为范德华（VandeWalls）力或π-π共轭作用，这些作用力均为弱相互作用，导致3D石墨烯的机械性能较差。本论文以三聚氰胺、甲醛和氧化石墨烯（GrapheneOxide，GO）为原料，经简单水热处理和热分解后，制备得到了共价键链接的三维氮掺杂石墨烯（ThreeDimensionalN-opedGraphene，3DNG），发现3DNG是含有微孔、介孔和大孔的多层次孔（hierarchic

5、alporous）石2墨烯，其比表面积高达548.7m/g，而且石墨烯的表面非常“清洁”。XPS图谱表明季氮型氮（QuanternaryN，Q-N）在石墨烯片间的链接中起了重要作用；以3DNG为电化学催化剂，考察了其对氧还原反应（OxygenReductionReaciton，ORR）的电催化性能，3DNG用作ORR电催化剂时，其起始电位仅-120mV，稳态扩散电流密度达到3.22mA/cm，这些特性使其在燃料电池中取代传统的贵金属催化剂成为可能。然后，以得到的3DNG为基底材料，合成了氮掺杂三维石墨烯负载贵金属纳米粒子催化剂。首先制备了氮掺杂三维石墨烯负载铂纳米粒子（PtNano

6、particles，PtNPs）催化剂（PtNPs/3DNG），并考察了催化剂对甲醇的电催化作用，结果发现PtNPs/3DNG的电化学活性表2面积达到194.3m/g，在对甲醇电催化中，PtNPs/3DNG氧化峰电流（614μA）远远大于商业催化剂Pt/C氧化峰电流（211μA），表现出了极好的催化活性，并且PtNPs/3DNG有更优异于商业Pt/C催化剂抗中毒性能，因而是一种在燃料电池领域有良好应用前景的电化学催化剂；最后制备了氮掺杂三维石墨烯负载钯纳米粒子（PdNanoparticles，PdNPs）催化材料（PdNPs/3DNG），研究了PdNPs/3DNG催化剂在香草醛加氢

7、脱氧生成2-甲氧基-4-甲基苯酚反应中的活性，进而揭示了其在生物质转化方面可能的应用前景，结果发现在温和条件下及绿色溶剂水中，以PdNPs/3DNG为催化剂，香草醛转化率可达100%，选择性也可达到100%；比较发现，元素氮的掺入对提高2-甲氧基-4-甲基苯酚的选择性具有一定的促进作用。本论文的研究揭示了3DNG是种理想的纳米材料的载体，未来甚至可以继续探索3DNG与金属氢氧化物、氧化物等的复合材料，在能源转换与存储、传感器、纳米器件、化学催化等领域发挥重要作用。关键