双掺杂石墨烯纳米片的制备及其应用于有机反应的研究

发布时间：2020-10-18 07:10

　　 石墨烯具有不同于其它sp~2碳的电子结构,它具有开放的边缘,尤其是当石墨烯的尺寸减小到纳米级别时。边缘部位的电子性质不同于体相,使其有可能应用于催化领域。但单纯石墨烯与掺杂石墨烯相比,掺杂石墨烯在催化领域的应用更多一些,因为杂原子掺杂可以引入带隙,使其电子结构发生明显变化,进一步提升催化活性。因此,采用简便快捷的方法制备掺杂石墨烯并应用于催化领域具有极高的研究价值。本课题制备了硼氮双掺石墨烯(BNG)和氮磷双掺石墨烯(NPG)分别应用于催化硝基苯类的还原反应和苄醇类的氧化反应。本文以石墨为原料,先通过球磨法制备出边缘功能化石墨烯纳米片(EFGnPs),将其与硼酸混合,再经过高温煅烧制备BNG;将EFGnPs与六氯环三聚磷腈(HCCP)混合,经过高温煅烧制备NPG。并通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和原子力学显微镜(AFM)检测所制备材料的形貌结构;通过拉曼光谱(Raman)和X射线衍射(XRD)分析了材料的缺陷程度和石墨化程度;通过X射线光电子能谱(XPS)分析了所制备材料中杂原子的掺杂量和价键形态。本文以制备的BNG作为催化剂催化了硝基苯还原反应,实验以乙醇作为溶剂,加入少量的还原剂水合肼和4 mg催化剂,反应3 h便可达到99%的产率。通过测试不同煅烧温度制备的BNG的催化效果,并结合催化剂中B的价键形态,我们分析出催化该反应主要的活性成分。此外,本文通过底物拓展测试和循环实验测试表明BNG具有很好的适用性和循环性。此外,本文以制备的NPG作为催化剂催化了苄醇氧化反应,实验以水作为溶剂,采用一种新的氧化体系,即叔丁基过氧化氢(TBHP)和氧气共同作为氧化剂,加入7 mg催化剂反应12 h便可把底物氧化成相对应的酸,产率高达99%。NPG催化带有不同官能团的苄醇化合物均表现出优异的催化性能,而且产物选择性很高。以上两个实验均表明,BNG和NPG在催化领域有着广阔的应用空间,其更深入的催化机理还需要研究者们进一步的研究。
【学位单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O621.251;O643.36;TB383.1
【部分图文】：

从而导致他们的理化性质也有较大的区别。人们也正是利用其特殊的理化性质让这些碳材料得以应用于各个方面。石墨烯是由 Geim 与 Novoselov 通过用撕胶带法在 2004 年发现的[14]，一举震撼了整个学术界。2010 年，两位教授因其在石墨烯领域的开创性工作获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯是由碳六元环构成的二维材料，呈蜂窝晶格状，又称单原子层石墨，其厚度约为 0.335 nm。石墨烯内部的碳原子以 sp2杂化轨道成键，并有如下特点：碳原子有 4 个价电子，其中 3 个以 sp2的形式与相邻的三个碳原子形成平面正六边形连接的蜂巢结构，另一个垂直于层平面的 σz轨道如苯环一样形成贯穿全层的大π 键。正是由于这种特殊的电子结构使石墨烯具有优异的电学、光学、力学以及热学等特性[15-18]。除此之外，石墨烯还具有良好的稳定性，这一性质推翻了二维晶体在非绝对零度无法稳定存在的论断[19]。石墨烯是现在为止发现的最薄、强度最大的新型材料，因此被成为“新材料之王”，众多领域的科学家预测，石墨烯必将引发一场盛大的新技术革命。

要有三种方法，即 Hummers 法、Brodie 法和 Strauden：首先用浓 H2SO4 和浓 NaNO3 将石墨进行氧化，得到离得到氧化石墨烯，该方法制得的氧化石墨烯氧化程度较38]：氧化剂为浓 HNO3和 KClO3，反应一天左右。该方间较长，并且具有较低的氧化程度。aier 法[39]：KClO4作为氧化剂，以浓 H2SO4和浓 HNO3低可以由反应时间的长短控制，但该制备过程中会产生有主要有热还原法[40, 41]、化学液相还原法[42-45]、电化学还原49]和光照还原法[50, 51]等。虽然氧化还原法制备石墨烯的模生产，但是其弊端是制备过程中会用到大量的浓酸和成一定的危害。

烯（约 2.5 cm）。他们在氢气气氛下，以己烷作为碳源，将管式炉min 的升温速率加热到 980oC 并保持 30 min，随后让其温度降到室温得均一，连续的石墨烯薄膜。G. D'Arrigo 等[59]利用甲烷为碳源，在铜基底上制备出了高质量的石。他们首先将铜箔在氢气气氛下加热到 1000oC，然后通入甲烷和氢气并保持 10 min，最后可获得 1-4 层的高质量石墨烯。J. C. Delgadodeng 等[60]利用乙醇为碳源，在氢气与氩气的混合气氛中基底成功制备了石墨烯薄层，该方法更为简单和安全。Sonani 等[61碳源，镍箔为基底，在 850oC 下进行反应，然后自然冷却沉积碳源得到的石墨烯层数有 40 层，层数较多。Fujita 等[62]以非晶碳作为碳墨烯，以镓作为基底，制得的石墨烯有 4-10 层，这些方法对 CVD和基底作出了拓展。CVD 法制备的石墨烯虽然具有较高的质量，该方法对工艺技术和仪要求都非常高，所需条件非常苛刻，如果大规模制备需要考虑其经济
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本文编号：2845983