废弃蒙脱石制备掺杂型类石墨烯碳纳米材料

发布时间：2018-10-14 11:22

【摘要】：蒙脱石具有特殊的二维纳米结构并含可交换性层间阳离子,是一种环境友好、高效廉价的吸附材料,可广泛应用于环境修复领域,特别适用于处理染料/印染废水。然而,吸附染料后废弃蒙脱石的处理处置和资源化回用问题仍然是制约蒙脱石污染修复应用的一大难题。因此,开发合适的废弃蒙脱石处理方法具有重要的意义。而另一方面,当前通过无机模板法制备碳纳米材料的研究吸引了越来越多的关注。制备过程中,常以吸附的有机化合物作为碳源,碳化后在无机模板的孔道中直接转化为碳材料。然后,通过酸洗去掉无机模板,从而得到纯净的碳材料。例如,当层状硅酸盐矿物作为模板时,就能够制备出二维结构的碳材料(即类石墨烯材料)。而且,这种类石墨烯材料在多个领域具有潜在应用。本研究以吸附阳离子染料(结晶紫和亚甲基蓝)后的废弃蒙脱石为前驱体,通过氮气保护下加热碳化及后续酸洗,成功制备了杂原子掺杂型类石墨烯碳纳米材料。利用热重(TG)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、元素分析、拉曼光谱、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等现代测试技术对所得材料的结构、组成和形貌进行分析,并对所得碳材料的电催化性能进行表征,重点探讨了热处理温度对所得类石墨烯碳材料结构和性能的影响。论文所取得的主要结论如下:(1)以吸附结晶紫的废弃蒙脱石为原料,制备了单层碳-蒙脱石纳米复合材料。研究结果表明,所得碳/蒙脱石纳米复合材料的层间域高度为0.36 nm,接近于单层石墨烯的厚度(0.34 nm)。通过简单改变碳化温度能够调控碳单层中的碳/氮原子比。碳化过程中,层间的结晶紫和蒙脱石相互影响:蒙脱石片层作为模板能够将结晶紫转化为碳单层,形成的碳单层反过来又能保护蒙脱石的片层结构。(2)将碳/蒙脱石纳米复合材料酸处理,去掉蒙脱石片层后成功制备了N掺杂类石墨烯材料。酸洗之后得到了较为纯净的具有类石墨烯片层结构的碳材料。碳材料的Raman光谱呈现出明显的D峰和G峰,二者强度比随着碳化温度的升高而升高,说明蒙脱石模板对碳源的石墨化具有一定的“阻碍效应”。而且,碳材料中同时存在吡啶型、吡咯型和石墨型三种结构的N,随着温度的升高,吡啶N向更为稳定的石墨N转化。分析所得N掺杂类石墨烯材料的峰电压、起始电压和电子转移数,结果表明,其具有较好的氧还原反应(ORR)电催化活性。(3)以吸附亚甲基蓝的废弃蒙脱石为原料,制备了N、S共掺杂类石墨烯碳纳米材料。碳化后所得碳/蒙脱石复合材料的层间域随着温度的升高逐渐减小至0.44 nm,略大于单层石墨烯厚度,这是由于半径较大的S不能很好地适应sp2碳网络导致其略突出二维碳片层所造成的。形貌分析结果证实了碳材料中类石墨烯片层的存在。XPS分析结果表明,碳材料中同时存在C、S和N三种元素,且N原子以三种方式(吡啶N、吡咯N和石墨N)掺杂进入石墨烯网络,而S原子主要以噻吩S的形式存在。最后,所得N、S共掺杂类石墨烯材料呈现出较好的ORR电催化活性和稳定性,在燃料电池中具有潜在应用。
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【学位授予单位】：中国科学院研究生院(广州地球化学研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X705;TB383.1

【参考文献】