石墨烯催化材料-PPT

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石墨烯催化材料及在催化方 面的应用讲解人：温新鸽 李辉组员：李辉 马强 戚小各 万怡贝 温新鸽 严龙飞 张单单 张凯 甄逢生

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石墨烯简介1.石墨烯的发展历程石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存 在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆 和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出 石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯 材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖 。 目前据测试，它具有它具有优异的润滑和保护性能，超 薄、非凡的导电、导热性等特性，在机械润滑、海水微生物 防腐、超级电容、LFP锂电池、复合材料等领域具有无法比 拟的优势，具有极为广阔的应用前景，被誉为21世纪的“材 料之王”,已被国家列为“十三五”规划重点新材料。

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2. 目前，石墨烯四大主流制备方法微机械剥离法、外延生长法、化学插层法和氧化石墨还原法 今天，结合图1,来简要介绍一下，化学插层法法与氧化石墨还 原法制备石墨烯的过程 化学氧化法：先用强氧化剂(浓硝酸，浓硫酸，铁系氧化剂等 )将石墨氧化成氧化石墨，氧化过程即在石墨层间穿插一些含氧官 能团，从而加大了石墨层间距，然后经超声处理一段时间之后，就 可形成单层或数层氧化石墨烯，再用强还原剂(水合肼等)将氧化 石墨烯还原成石墨烯。 化学插层法：通过在石墨 层与层之间插入一些分子、离子 、原子基团，从而加大石墨的层 间距，削弱其层与 层之间的范 德华力，然后再剥离石墨层间化 合物来制备石墨烯。 图1

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3.石墨烯的分子结构及特性石墨烯又称单层石墨，是只有一个C原子层厚度的石墨，是构 建其他碳质材料的结构单元。通过 SP2杂化成键，碳原子与周围三 个碳原子以 C-C 单键相连，同时每个碳原子中未成键的一个 π 电子 形成与平面垂直的π轨道。结构决定性质，石墨烯具有强度很大的 C-C键，因此其具有极高的强度。而其可自由移动的π电子又赋予 了石墨烯超强的导电性。同时，石墨烯还具有一系列奇特的电子特 性，如反常的量子霍尔效应，零带隙的半导体以及电子在单层石墨 片层内的定域化现象等。

石墨烯的结构示意图

SP2杂化的碳质材料的基本组成单元

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石墨烯催化材料(Cu-RGO为例)1. Cu-RGO催化剂的表征1.1 Cu-RGO催化剂TEM图与HRTEM图的分析 图1a中可以清晰的看出.RG0为表面光滑的薄纱状材料.纳米粒 子以近球状颗粒均匀负载于其表面.平均粒径约为34 nm:从HRTEM 图像可观察到纳米粒子清晰完整的晶格条纹 (如图1b),这表明形成 的纳米粒子结晶良好.测得晶面间

距为0.21nm,

图1 (a) Cu-RGO催化剂的TEM图，右上角的内插 图为Cu粒子的粒径分布图

(b)Cu.RG0催化剂的HRTEM图

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1.2 GO RG0和Cu-RGO的XRD图的分析从图2中可以看出，在Cu-RGO催化剂中G0 (001)的特征峰消失了 ,这可能是因为 GO在水热反应过程中被乙醇还原成了 RGO,而且 Cu 纳米粒子的存在有效抑制了 RG0片层的有序堆叠.使得在Cu-RGO 的RD图中没有发现 RG0(002)的衍射峰例。此外，2 分别在42.30° ( 111)、 50.43° (200) 、 74.13°(220) 处出现的衍射峰与标准卡片 (PDF No.04一08361)完全一致，说明生成了近球形的立方晶系的纳 米Cu,并且各个衍射峰强度较高.表明得到的 Cu晶体结构较为完 整。

图2 Cu.RGO催化剂、GO和RG0的XRD图

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1.3 G0和Cu-RG0催化剂的FTIR光谱分析。 从图 3 中可以看出.水热反应后， Cu-RG0 催化剂中未氧化的 C=C键的伸缩振动在 1558 cm-1处.而其它的含氧官能团 (C=O、OH、C-OH和C-O-C)的特征峰几乎全部消失 ,说明氧化石墨烯片层上 大部分含氧官能团在反应过程中被还原。此外也没有发现Cu-O 键的特征峰CuO的Cu-0键伸缩振动 位于525 cm-1处.Cu2O的Cu-0键伸 缩振动位于609 cm-1),表明催化剂 中没有 Cu2O 或 CuO 等杂质的存在 ，由此可见,通过水热反应确实形成 了Cu-RGO纳米复合材料

图3Cu-RG0和G0的FTIR光谱图

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2 Cu-石墨烯催化剂的催化活性实验(Cu-RGO对MB的降解和实验来验证) 2.1温度对催化活性的影响(分析图4) 吸附过程中，c/c。随温度的降低而减小.表明吸附过程是放热反 应.低温能促进RG0对MB的吸附 加入双氧水后.随着反应时间的变化。Cu-RGO催化剂对MB的催 化降解效果影响非常明显，c/c。随反应时间的延长逐渐降低，MB 溶液的浓度逐渐变小 此 外 ， 反 应 温 度 在 2530℃时的c/c。降低幅度要远 大于20-25℃的， 最后经过实验分析，当反 应温度为 35 ℃, MB 降解效 果最好。(M Cu.RG0=6.5 mg Vh2o2=0.5ml)

图4 温度对MB降解效果的影响

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2.2 H2O2的量对催化活性的影响 由图 5 分析，催化剂达到吸附一脱附平衡后，不加 H2O2 时，催 化剂对MB并没有催化降解效果，而在加人H2O2后，MB的降解 效率随着 H2O2量的增加而得到逐步提高。当双氧水用量为 0. 5 mL时.MB的降解速度最快.且降解速率也要比 H2O2,用量为 0.3、0.4 mL时的快的多

图5 双氧水用量对MB降解效果的影响 (M Cu.RG0=6.5 mg T=35℃)

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2.3 Cu-石墨烯催化剂的寿命

图6 Cu-RG0催化剂循环使用的催化性能

催化剂的使用寿命是催化剂能否被推广使用的一个重要因素。 图6反映了催化剂的循环使用性能，从图中可以看出.在经过6次循 环使用后，Cu- 石墨烯催化剂活性没有明显变化.对 MB 的降解率仍 超过 98 %.表明 Cu—石墨烯催化剂具有较好的

稳定性。 RGO 的存 在.可以有效减少铜纳米粒子的团聚并大大提升它的抗氧化能力。

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2.4 Cu-石墨烯催化剂的催化机理

Cu-RGO催化剂的作用机制主要是通过催化H2O2分解产生· 0H 来降解有机物。结合图 8 可知，首先 H2O2 吸附在 Cu . RGO 颗粒 表面形成Cu…H:O:复合物前驱体，随后在Cu…H20:中发生 电子转移生成 Cu+ 、 Cu2+ 和. OH ,同时，电子再从石墨烯上转 移至Cu+ 、 Cu2+ ,产生/再生反应的活性位点CuO。所产生的 RG0(h+)具有氧化性，很容易将0H一还原为· OH,这就进一步增 加了· OH的量。而反应中产生的· OH一旦和染料分子接触，就可 以使染料分子降解。同时，· 0H又可以与位于吸附表面的H2O2 、 Cu+ 、 Cu2+ 、CuO反应或相互反应使链反应终止或延长.

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石墨烯催化材料的应用石墨烯由于其大的比表面积、优异的导热、导电以 及机械特性，与无机纳米粒子复合能产生性质优异的复 合材料。在石墨烯上负载的纳米粒子同时也削弱了其片 层之间的π -π 作用，从而能够制备高度分散的复合材 料。通常，石墨烯基可以和金属、金属氧化物、聚合物、 生物材料以及其它碳纳米材料等复合成具有新特性的复 合材料。下文将主要介绍无金属石墨烯基催化剂、石墨 烯-金属/金属氧化物催化剂、功能化石墨烯复合物的 应用。

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1.无金属石墨烯基催化剂

在过去的十年中，人们一直在发展用不含金属的碳基催化剂替 代含金属碳基催化剂，同时取得了很大进步。官能化的碳材料(含 有氧、氮或其它的表面基团) …… 此处隐藏：2685字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……