氮掺杂还原氧化石墨烯/四氧化三钴双功能催化剂的制备及表征

采用尿素作为氮源,通过热退火法制备氮掺杂还原氧化石墨烯,然后以乙酰丙酮钴作为钴源通过水热法制备氮掺杂还原氧化石墨烯/四氧化三钴杂化纳米片作为催化氧还原和氧析出反应的双功能催化剂。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线电子能谱仪(XPS)等对其进行形貌结构表征,通过旋转圆盘电极等电化学测试对其电催化性能进行分析,可以看出该催化剂具有良好的氧还原和氧析出催化性能。     

锂氧电池双功能还原石墨烯-LaFeO_3复合纳米催化剂的制备及性能

制备具有氧还原(ORR)与氧释放(OER)双功能催化活性的特殊孔道结构电催化剂是锂氧电池研究的挑战之一。本文以氧化石墨烯、硝酸铁、硝酸镧、柠檬酸为原料,结合溶胶凝胶和水热合成方法,制备出还原氧化石墨烯(RGO)与铁酸镧(LaFeO_3)复合的双功能催化剂(RGO-LaFeO_3)。X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱和Raman光谱分析结果确认该复合催化剂由纯相钙钛矿结构LaFeO_3和还原氧化石墨烯组成,扫描电子显微镜(SEM)观察到LaFeO_3纳米颗粒均匀地负载在RGO片层表面。锂氧电池测试结果指出,相对于LaFeO_3纳米粒子(NP-LaFeO_3),RGO-LaFeO_3催化剂具有更好的ORR和OER催化活性,归因于RGO特殊的三维导电多孔结构与LaFeO_3纳米粒子的协同催化作用。以RGO-LaFeO_3作为阴极催化剂的锂氧电池在限1000 m Ah?g~(-1)比容量、100 m A?g~(-1)电流密度条件下,可实现36周稳定的充放电循环,展示出良好的应用前景。     

微波固相法快速制备氮掺杂石墨烯

以鳞片石墨为原料, 首先通过Hummers法制备氧化石墨, 再将洗涤至中性的氧化石墨分散液与乙二胺反应得到功能化石墨烯。干燥后的功能化石墨烯在微波辐照下能瞬间产生高热, 促使接枝的乙二胺分子分解并实现对石墨烯原位掺杂制备出氮掺杂石墨烯。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、X射线能谱(EDS)对样品的形貌、结构和组成进行了表征。结果表明:该合成途径能成功实现对氧化石墨烯的还原和掺杂, 所合成的氮掺杂石墨烯呈现透明绢丝状结构。     

微波固相法快速制备氮掺杂石墨烯

以鳞片石墨为原料,首先通过Hummers法制备氧化石墨,再将洗涤至中性的氧化石墨分散液与乙二胺反应得到功能化石墨烯。干燥后的功能化石墨烯在微波辐照下能瞬间产生高热,促使接枝的乙二胺分子分解并实现对石墨烯原位掺杂制备出氮掺杂石墨烯。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、X射线能谱(EDS)对样品的形貌、结构和组成进行了表征。结果表明:该合成途径能成功实现对氧化石墨烯的还原和掺杂,所合成的氮掺杂石墨烯呈现透明绢丝状结构。     

氮掺杂石墨烯的制备及氧还原电催化性能

采用两步热解法, 用尿素掺杂氧化石墨烯(GO)得到N掺杂的还原氧化石墨烯(N-RGO), 通过控制反应温度, 制备了具有不同电催化活性的N掺杂的还原氧化石墨烯. 透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)结果显示, 制得的氮掺杂石墨烯(nG)表面褶皱和重叠增加. X射线光电子能谱(XPS)证明, 氮元素以吡啶N、 吡咯N和石墨化的N 3种形式掺杂在石墨烯中, 最高摩尔分数为6.6%. 通过循环伏安(CV)和旋转圆盘电极(RDE)测试了nG的电化学性能, 结果表明, 在酸性电解质中对氧还原(ORR)有较高的催化活性, 起始电位在0.1 V左右, 电催化还原氧气时主要为四电子反应, 且相对商用的Pt/C催化剂有更好的电化学稳定性, 其中第一步热解温度为200℃制得的nG催化性能最好.     

甲基丙烯酸缩水甘油酯功能化石墨烯的制备与表征

利用改进的Hummers法对天然鳞片石墨进行氧化处理制备氧化石墨烯,将其与甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)在温和条件下反应,再经水合肼还原得到功能化石墨烯.分散性测试结果表明,超声后的功能化石墨烯可以稳定分散于丙酮、乙醇和N,N-二甲基甲酰胺等有机溶剂中.采用傅里叶变换红外光谱、X射线衍射分析及X射线光电子能谱对样品的结构进行了表征.结果表明,GMA上的环氧基与氧化石墨烯上的羟基发生了化学反应,键合在氧化石墨烯表面;经水合肼还原后,层间距较功能化氧化石墨烯缩小,无序度增加.扫描电子显微镜(SEM)测试结果表明,功能化石墨烯含大量褶皱和卷曲;原子力显微镜(AFM)测试结果表明,功能化石墨烯的厚度为2~3 nm.热重分析结果表明,还原氧化石墨烯的热稳定性最高,功能化石墨烯次之,氧化石墨烯的热稳定性最低.     

氮掺杂多孔石墨烯对硝基和偶氮化合物的催化还原性能——化学相关专业综合实验的设计与实践

针对溶有常见含硝基和偶氮化合物废水处理的问题，设计了无金属碳基催化剂制备及其对此类化合物催化还原的综合实验。实验以氧化石墨烯为原料，经水热法合成碳基催化剂氮掺杂多孔石墨烯或氮掺杂石墨烯，通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、比表面分析仪、X射线光电子能谱等对其结构、形貌和元素组成等进行表征，并研究其对硼氢化钠还原硝基和偶氮化合物的性能。该实验涉及碳基催化剂制备、表征和废水处理等多个实验环节，涵盖了物理化学、材料化学和环境化学等多个学科领域。通过该实验可以培养学生的科研思维，提高学生的科研动手能力和用化学知识解决实际问题的能力。     

氧化石墨超声时间对三维还原氧化石墨烯结构及超级电容性能的影响

将氧化石墨凝胶超声不同时间制备氧化石墨烯(GO)溶胶,再以GO溶胶为前驱体采用一步水热法制备了三维还原氧化石墨烯(3DRGO),采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)和电化学测试等研究了不同超声时间对3DRGO的形貌、结构及超级电容性能的影响.结果表明,当超声时间不超过120 min时,经水热反应后还原氧化石墨烯均能形成稳定的三维结构,但随着超声时间的延长,三维结构尺寸不断减小,强度增加,样品的内部结构也由片状逐渐向多孔网状转化;当超声时间超过120 min时,还原氧化石墨烯虽具有网状结构,但在宏观上不利于形成稳定的三维结构.电化学测试结果表明,经不同超声时间所制备的还原氧化石墨烯均表现出较好的超级电容性能,其中超声时间为120 min时制备的3DRGO具有更均匀的多孔网状结构,表现出了最佳的超级电容性能,在1 A/g电流密度下其比电容可达328 F/g,即使在20 A/g的大电流密度条件下,其比电容仍可高达240 F/g.     

自由基反应诱导的溴功能化还原氧化石墨烯的制备

以氧化石墨烯(GO)为原料,N-溴代丁二酰亚胺(NBS)为溴代试剂,硫代硫酸钠为还原剂,通过羧基化、溴化和还原三步法,采用自由基反应的方式制备了溴功能化还原氧化石墨烯(rGOBr).通过X射线衍射、扫描电子显微镜、红外光谱、拉曼光谱以及X射线光电子能谱等手段对rGOBr的结构、微观形貌和元素组成进行了表征.结果表明,溴元素以共价键的形式分布在石墨烯表面.本方法原料来源广泛、操作简单且条件温和,为石墨烯的溴功能化提供了一条新途径.     

多孔石墨相氮化碳限域Ag/Au纳米颗粒催化还原对硝基苯酚

利用多孔石墨相氮化碳(pg-C_3N_4)的限域能力,采用光还原法制备了一系列不同负载量的Ag@pg-C_3N_4和Au@pg-C_3N_4纳米复合催化剂.通过X射线衍射、N2物理吸附、透射电子显微镜、X射线光电子能谱对复合催化剂的理化性质进行了表征,并且研究了两类催化剂催化还原对硝基苯酚的能力.结果表明,所制备的催化剂均表现出较好的催化活性,其中10 wt%Au@pg-C_3N_4催化剂的性能最佳,反应速率常数达到2.2601min~(-1).     

三维多枝雪花状银粉的制备及催化性能

室温下,以聚乙烯醇为保护剂,采用抗坏血酸还原硝酸银,于水相中一步合成出三维多枝雪花状银粉。结合X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等结构表征手段,对三维多枝雪花状银粉的微观结构进行详细分析,在此基础上提出其可能的形成机理。此外,三维多枝雪花状银粉在4-硝基苯酚催化加氢反应中还表现出优异的催化活性。     

乙醇胺功能化石墨烯的制备与表征

乙醇胺在温和条件下与氧化石墨烯反应, 然后经水合肼还原得到功能化的石墨烯. 干燥的功能化石墨烯经超声处理后, 可稳定分散于水、乙醇、丙酮和N,N二甲基甲酰胺(DMF)等溶剂中. 原子力显微镜(AFM)、透射电镜(TEM)分析表明功能化石墨烯平均厚度为3～4 nm. 傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)对功能化石墨烯的结构分析表明: 乙醇胺与氧化石墨烯发生了化学反应, 并通过共价键连接到石墨烯的六元环上. TG结果表明功能化石墨烯的热稳定性比氧化石墨烯有所提高, 但低于还原氧化石墨烯.     

高比表面积介孔氧化镍制备及其氧化甲苯的性能

以硝酸镍为金属源,在柠檬酸辅助下通过直接热分解法制备了高比表面积介孔氧化镍催化剂,采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、程序升温还原(TPR)和N2吸-脱附技术表征了催化剂的物化性质,考察了氧化甲苯的性能.结果表明,所制备介孔NiO催化剂是具有虫孔状介孔结构的球形粒子,其中以原料等摩尔比混合经400℃灼烧得到的meso-Ni-1-400催化剂的比表面积最大,达到225 m~2 g(-1),平均孔径为5.9 nm,孔容为0.36 cm~3 g~(-1),介孔氧化镍催化剂具有高比表面积、优良的低温还原性能和多种Ni物种并存,使其氧化甲苯的活性好.     

无定型钼硫化物/还原氧化石墨烯的辐射合成及其电催化析氢性能

钼硫化物被认为是一种高效的电催化析氢反应的催化剂,因此其合成方法受到了广泛的研究和关注。本文以四硫代钼酸铵和氧化石墨为前驱体,利用γ射线对其辐照还原,一步法制备了钼硫化物/还原氧化石墨烯(Mo S_x/RGO)复合材料。通过X射线光电子能谱、X射线衍射、透射电子显微镜、Raman光谱等表征手段确认复合材料中的Mo Sx为无定型结构,且氧化石墨烯得到了有效的还原。同时系统研究了吸收剂量、前驱体配比对复合材料作为析氢反应催化剂性能的影响。结果发现,Mo Sx/RGO复合材料具有优异的催化性能,其催化起始电压为110 m V,在电流密度为10 m A·cm~(-2)时过电势仅为160 m V,Tafel斜率为46 m V·dec~(-1),说明该催化剂催化析氢机理为Volmer-Heyrovesy机理。此外,Mo Sx/RGO复合材料还具有良好的催化稳定性。     

纳米Au/NaZSM-5催化剂的控制制备及催化性能

采用硝基甲烷还原-胶体负载法制备了粒径可控的系列高分散纳米Au/NaZSM-5催化剂. 以多相CO催化氧化为模型反应, 考察了Au微粒尺寸、pH值、反应温度、反应时间、焙烧活化温度以及Au含量等条件对催化剂性能的影响, 并利用透射电子显微镜(TEM)、X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和氢气程序升温还原(H2-TPR)等技术对催化剂表面化学状态和体相结构进行了表征. 实验结果表明, 制备条件和反应条件对Au粒子尺寸及所得催化剂活性有较大影响, 催化剂性能与Au微粒粒径之间存在明显的尺寸依赖关系.     

铂/石墨烯氧还原电催化剂的共还原法制备及表征

使用硼氢化钠共还原法制备40% (w)铂/石墨烯电催化剂用于氧还原反应. 通过循环伏安测试发现, 这种方法制备所得铂/石墨烯催化剂对氧还原反应活性较铂/碳催化剂差, 但稳定性有所提高. 在稳定性测试中,铂/石墨烯电催化性能衰减为50%, 较铂/碳(79%)好. X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)表征发现在铂/石墨烯催化剂中两者存在明显交互作用, 这可能是阻止石墨烯再堆垛和防止铂颗粒团聚的主要原因. 通过对单电池性能测试也发现铂/石墨烯催化剂更有利于电池长期稳定.     

利用石墨烯-炭黑组成的二元碳载体增强甲酸在钯催化剂上电化学氧化的活性（英文）

本文采用"一锅法"将氧化石墨烯(GO)、炭黑(C)和钯离子用NaBH4共还原,制备了石墨烯-炭黑二元载体(Gr-C)负载的钯催化剂(20%Pd/Gr-C),用于催化甲酸的电氧化反应.电化学测试结果表明,前驱体GO和C的质量比为3:7的Pd/Gr_(0.3)C_(0.7)催化剂催化活性最好,它的峰电流密度(102.14 mA mgPd~(-1))约为Pd/C催化剂(34.40 mA mgPd~(-1))的3倍,为钯/石墨烯催化剂(Pd/Gr,38.50 mA mgPd~(-1))的2.6倍.甲酸在Pd/Gr_(0.3)C_(0.7)催化剂电极直接氧化时的峰电位比Pd/C催化剂的峰电位负移约120mV,比Pd/Gr催化剂的峰电位负移约70 mV.采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱、电感耦合等离子发射光谱(ICP-AES)等手段对催化剂进行了表征.从SEM图像可以观察到,球形的炭黑团簇聚集在具有褶皱的石墨烯面上,形成了炭黑团簇/石墨烯三维立体结构,有效地抑制了相邻石墨烯层在范德华力作用下的吸引聚集和堆叠造成的石墨烯表面积减小,减小了单层石墨烯叠合成为多层石墨所造成的导电性损失,避免了相邻石墨烯片叠合形成封闭空间,有助于反应物和产物分子的运动.载体的三维结构使反应物分子更容易到达钯纳米粒子,有利于催化性能的提高.XPS结果也证实了二元Gr-C载体对Pd催化的促进作用.Pd/Gr_(0.3)C_(0.7)催化剂的Pd 3d5/2峰发生了右移,表明Pd 3d电子结合能正移,Pd 3d电子云密度降低.具有较低的3d电子云密度的Pd不易与甲酸氧化过程中吸附的中间体(COOH)ads结合,钯催化剂上(COOH)ads表面覆盖率降低,从而使甲酸更容易直接脱氢氧化生成CO_2,有利于甲酸通过直接途径进行电化学氧化.与Pd/C,Pd/Gr相比,Pd/Gr_(0.3)C_(0.7)催化剂对甲酸电氧化有最好的催化活性.Pd/Gr_(0.3)C_(0.7)催化剂优异的催化活性可归因于其内在的三维纳米结构:炭黑团簇有效地抑制了石墨烯纳米片的聚集,保持了其大的比表面积和高导电性,促进了反应物和产物分子的运动.此外,Pd纳米粒子与二元载体之间的强相互作用降低了Pd的3d电子云密度,使甲酸氧化主要经直接途径进行.本文证实了钯金属和石墨烯-炭黑二元载体之间的强相互作用,提供了简单和高性价比的方法以提高钯基催化剂的活性,有利于工业化的应用     

Pd/PEI-GNs复合材料的制备及对对硝基苯酚的电催化还原性能

以聚乙烯亚胺(PEI)功能化的石墨烯(PEI-GNs)为载体, 利用电化学还原法制备了Pd/PEI-GNs复合物. 采用红外光谱仪、 X射线光电子能谱仪、 X射线粉末衍射仪和扫描电子显微镜等对复合物的组成、 结构和形态进行了表征. 结果表明, Pd/PEI-GNs复合物中Pd颗粒均匀分散在PEI-GNs基底上. 采用循环伏安法、 交流阻抗法和计时电流法等电化学方法研究了Pd/PEI-GNs复合物的电化学性能. 结果表明, 制备的复合物催化剂对对硝基苯酚还原具有较好的催化活性和稳定性, 这主要是由于Pd纳米颗粒在PEI-GNs载体上均匀分散以及PEI-GNs优异的电子传递能力.     

钕对苯直接氧化制苯酚催化反应的促进作用

采用溶胶凝胶法制备Cr/Al2O3,Nd-Cr/Al2O3催化剂,通过X射线衍射(XRD)、N2吸附脱附和透射电子显微镜(TEM)对催化剂进行表征,结果表明稀土的加入增加了负载过渡金属的氧化铝的比表面积,使孔道结构更加规则有序。程序升温脱附(TPD)、程序升温还原(TPR)、X射线光电子能谱(XPS)和27Al固体核磁共振(27Al MAS NMR)的表征进一步说明稀土金属和过渡金属对载体表面性质和Al配位的影响,在催化反应中铬是主催化剂,钕是助催化剂。将催化剂用于苯一步氧化制备苯酚的反应中,反应结果表明所得催化剂均具有较高活性,并且Nd-Cr/Al2O3的催化活性高于Cr/Al2O3。     

利用石墨烯-炭黑组成的二元碳载体增强甲酸在钯催化剂上电化学氧化的活性

本文采用"一锅法"将氧化石墨烯(GO)、炭黑(C)和钯离子用NaBH4共还原,制备了石墨烯-炭黑二元载体(Gr-C)负载的钯催化剂(20%Pd/Gr-C),用于催化甲酸的电氧化反应.电化学测试结果表明,前驱体GO和C的质量比为3:7的Pd/Gr0.3C0.7催化剂催化活性最好,它的峰电流密度(102.14 mA mgPd-1)约为Pd/C催化剂(34.40 mA mgPd-1)的3倍,为钯/石墨烯催化剂(Pd/Gr,38.50 mA mgPd-1)的2.6倍.甲酸在Pd/Gr0.3C0.7催化剂电极直接氧化时的峰电位比Pd/C催化剂的峰电位负移约120 mV,比Pd/Gr催化剂的峰电位负移约70 mV.采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱、电感耦合等离子发射光谱(ICP-AES)等手段对催化剂进行了表征.从SEM图像可以观察到,球形的炭黑团簇聚集在具有褶皱的石墨烯面上,形成了炭黑团簇/石墨烯三维立体结构,有效地抑制了相邻石墨烯层在范德华力作用下的吸引聚集和堆叠造成的石墨烯表面积减小,减小了单层石墨烯叠合成为多层石墨所造成的导电性损失,避免了相邻石墨烯片叠合形成封闭空间,有助于反应物和产物分子的运动.载体的三维结构使反应物分子更容易到达钯纳米粒子,有利于催化性能的提高.XPS结果也证实了二元Gr-C载体对Pd催化的促进作用.Pd/Gr0.3C0.7催化剂的Pd 3d5/2峰发生了右移,表明Pd 3d电子结合能正移,Pd 3d电子云密度降低.具有较低的3d电子云密度的Pd不易与甲酸氧化过程中吸附的中间体(COOH)ads结合,钯催化剂上(COOH)ads表面覆盖率降低,从而使甲酸更容易直接脱氢氧化生成CO2,有利于甲酸通过直接途径进行电化学氧化.与Pd/C,Pd/Gr相比,Pd/Gr0.3C0.7催化剂对甲酸电氧化有最好的催化活性.Pd/Gr0.3C0.7催化剂优异的催化活性可归因于其内在的三维纳米结构:炭黑团簇有效地抑制了石墨烯纳米片的聚集,保持了其大的比表面积和高导电性,促进了反应物和产物分子的运动.此外,Pd纳米粒子与二元载体之间的强相互作用降低了Pd的3d电子云密度,使甲酸氧化主要经直接途径进行.本文证实了钯金属和石墨烯-炭黑二元载体之间的强相互作用,提供了简单和高性价比的方法以提高钯基催化剂的活性,有利于工业化的应用.