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《南京理工大学》 2013年
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石墨烯—磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结的控制合成及其性质研究

付永胜  
【摘要】:近年来,随着纳米碳材料的兴起,越来越多的高效催化剂以及高性能电极材料的应用成为了可能。而由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的石墨烯,作为纳米碳材料家族中的新兴成员已在实验科学和理论科学上受到了极大的关注。由于其特殊的二维纳米结构,独特的物理化学性能,使得石墨烯能够在纳米电子学、传感器、光催化、超级电容器、锂离子电池等诸多领域中有着广泛的应用。在本论文中,设计、制备了一系列的石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结,并研究其吸附性能、可见光催化性能和作为锂离子电池阳极材料的电化学性能。石墨烯与磁性尖晶石型铁氧体的复合实现了二者在性能上的优势互补,有望获得性能优异的多功能材料。具体内容如下: 1.石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结的设计与制备。 氧化石墨烯是常用的石墨烯衍生物,具有丰富的含氧基团,如羟基、羧基和环氧基等,在水和多种有机溶剂中都具有较好的分散性,同时还能作为良好的载体。论文首先以胶体石墨为原料制备了高氧化程度的氧化石墨烯,利用氧化石墨烯表面丰富的含氧官能团为反应活性点,以能够形成磁性尖品石型铁氧体的金属盐(Fe, Zn, Co, Ni, Mn, Cu等)为金属源,通过金属离子与氧化石墨烯含氧负电基团的配位形成反应前驱体,通过软化学方法控制合成石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结,并通过X射线粉末衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和N2吸(脱)附等温曲线等技术进行了一些列详细的表征。结果表明石墨烯和磁性尖晶石型铁氧体的复合能够有效的控制磁性尖晶石型铁氧体的形貌、粒子的尺寸和分散性。 2.石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结的吸附性能研究。 以制备的石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结作为吸附剂,以亚甲基蓝作为吸附物质来研究石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结的吸附性能。结果显示:石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结对亚甲基蓝具有超好的吸附性能,298K,静态吸附1h后,吸附趋于平衡。吸附过程符合二级吸附动力学方程,吸附过程的吸附等温模型符合LangInuir等温式,可以用单分子层吸附理论加以解释。 3.石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结的可见光催化性能及其机理研究。 以制备的石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结作为可见光催化剂,采用光化学反应仪,通过降解有机污染物废水(如亚甲基兰、甲基橙、罗丹明B、活性黑等)研究了催化剂的可见光催化性能,实验结果表明,在可见光辐射下纯磁性尖晶石型铁氧体是惰性的,几乎没有催化活性。而当石墨烯与磁性尖晶石型铁氧体复合后,可见光催化活性明显增加,这主要归因于石墨烯与磁性尖晶石型铁氧体之间的协同作用,导致光生电子和空穴的有效分离。在光催化反应过程中,羟基自由基氧化反应占主导地位。此外,石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结具有较好的磁学性能,能够作为可磁分离的催化剂使用。 4.石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结作为锂离子电池阳极材料的储电性能及其机理研究。 以制备的石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结作为锂离子电池阳极材料,研究了其电化学性能。结果显示,与纯磁性尖晶石型铁氧体电极相比,石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结电极给出了较高的可逆容量,并且具有较好的循环性能和倍频性能,这主要归因于磁性尖晶石型铁氧体与石墨烯之间显著的协同作用:石墨烯巨大的比表面积有利于控制磁性尖晶石型铁氧体的颗粒尺寸与分散度,提供更多的锂离子嵌入/脱嵌位点,同时有利于电解液与石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结电极充分接触,并能储存较多电荷。石墨烯的引入,由于其较好的柔韧性能在充放电过程中起到缓冲器的作用,使得电极体积膨胀/收缩效应得到缓冲,从而提高石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结电极的循环性。此外,石墨烯优异的导电性和电子传输性能够显著提高石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结的导电性,从而有利于电极/电解液中电荷传递,降低溶液电阻和电荷转移电阻,使得石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体多功能异质结电极具有较好的倍频性能。 5.钒酸铋-铁酸钻-石墨烯异质结的设计、制备以及可见光催化性能研究。 本论文中首先通过一步简单的水热法合成了钒酸铋-石墨烯异质结,并通过XRD, FTIR, Raman, XPS, TEM和FESEM等技术对其进行了详细的表征。结果显示,在钒酸铋-石墨烯异质结中,石墨烯被完全剥离开,同时钒酸铋可以形成厚度15nm,粒径1-1.3μm树叶状纳米片。而没有加入氧化石墨烯时,所形成的钒酸铋则为团聚的、没有固定形貌的纳米粒子。这一结果证实了石墨烯在钒酸铋合成的过程中,起到了特殊的模板作用,使得钒酸铋粒子的生长具有一定的方向性,从而形成了树叶状纳米片。同时与纯钒酸铋相比,钒酸铋-石墨烯异质结通过石墨烯与树叶状钒酸铋纳米片的协同效应,对可见光催化降解亚甲基蓝(MB)、罗丹明B (RhB)、甲基橙(MO)、活性黑(BL-G)染料废水,都显示出较好的催化活性。接下来,同样通过简单的一步反应,成功制备了钒酸铋-铁酸钻-石墨烯异质结,结果显示,钒酸铋和铁酸钴纳米粒子成功的负载在石墨烯表面。钒酸铋-铁酸钴-石墨烯异质结不仅具有较好的磁分离性能,还具有较好的光催化活性。
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TQ127.11

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