纳米粒子/石墨烯气凝胶的构筑及性能研究

作者
徐凯;
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,本论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,CeO_2)、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。主要研究内容与成果如下:(1)采用稀释-浓缩和凝胶化反应的工艺,制备CeO_2/石墨烯气凝胶(CeO_2/graphene aerogels,CeO_2/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CeO_2/GO片层组装成三维多孔结构。结果显示,复合材料中CeO_2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。(2)在CeO_2/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/CeO_2/GA复合材料。结果显示:CeO_2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CeO_2/GA的可见光催化性能,使得Ag/CeO_2/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150 mg L~(-1)。(3)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。(4)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20 nm。其中,PtCo/GA催化剂的氧还原催化活性最优,在0.603 V(vs.Ag/AgCl)电势处,其质量比活性和面积比活性分别为0.29 A mgPt-1和0.32 mA cm-2,是商业Pt/C的4.1和3.8倍(0.071 mgPt-1和0.084 mA cm-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。
关键词/主题词
纳米粒子;石墨烯气凝胶;可见光催化;抗菌;燃料电池催化剂
页数
82
出版日期
2017-05-01
学位授予单位
江苏大学
学位年度
2017
学位
硕士
导师
程晓农
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