化学修饰多壁碳纳米管的电催化性能研究

发布时间：2017-09-20 20:51

  本文关键词：化学修饰多壁碳纳米管的电催化性能研究

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【摘要】：碳纳米管又名巴基管,是一种重要的全碳分子材料,自1991年被日本科学家饭岛澄男发现以来,以其独特的结构和特殊的电学、热学和力学性能,已成为材料科学、生物学、物理学等领域的研究热点,激起了人们极大的研究兴趣。化学修饰作为一种简单、高效的处理方法,能够明显提高碳纳米管的化学选择性和溶解性,在碳纳米管的提纯、分离和应用中成为必不可少的前处理过程。本论文主要采用电化学表征的方法,测定了不同官能团修饰的多壁碳纳米管在硝基苯还原反应和氧气还原反应中的电催化性能,并提出了相应的催化机理。主要研究内容和创新点如下:(1)在硝基苯还原反应中,羟基修饰多壁碳纳米管的电催化性能较好:硝基苯的特征峰尖锐,背景电流小,最低检测限为0.08μM。而且,羟基修饰多壁碳纳米管的稳定性和重现性较好,测量180次后仍然保持较高的催化活性。多壁碳纳米管催化还原硝基苯的过程较为复杂,并与扫描的电位窗口有关。硝基苯首先得到四电子还原生成羟基苯胺,羟基苯胺可以继续氧化成亚硝基苯,也可以脱水缩合为偶氮苯,偶氮苯得到两个氢离子生成氢化偶氮苯。如果扫描电压高于0.8 V,羟基苯胺还可以通过Bamberger重排反应生成对氨基酚,对氨基酚继续反应生成亚胺醌。(2)与硝基苯还原反应不同,羧基修饰多壁碳纳米管对氧气还原反应的催化性能最为优越:起峰电位最高(-0.105 V),阴极电流密度最大(-1.317 mA/cm~2)。结合酸性电解质中的实验结果,推测官能团在不同pH溶液中存在状态可能不同。在碱性电解质中,羧基和羟基容易发生去质子化反应,相应的生成-COO-和-O-;而在酸性电解质中,氨基可能会得到氢离子生成-NH_3~+。密度泛函理论计算的结果与实验结论一致。此外,多壁碳纳米管的长时间稳定性和对甲醇、乙醇、乙二醇的抗干扰能力明显优于商业用铂炭催化剂。(3)研究了MnFe_2O_4纳米晶组装体对硝基苯的催化还原。实验结果表明,MnFe_2O_4纳米晶组装体在磷酸盐缓冲溶液、硫酸钠溶液和氢氧化钠溶液中对硝基苯都具有催化活性,且在硫酸钠溶液中的催化活性最高。MnFe_2O_4纳米晶组装体对硝基苯的催化活性与组装体的晶粒尺寸和自组装过程密切相关。小尺寸纳米晶自组装的MnFe-Na对硝基苯具有更高的催化活性。
【关键词】：碳纳米管 化学修饰 锰铁氧体 硝基苯 氧还原
【学位授予单位】：青岛大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB383.1
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-7
• 引言7-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 碳纳米管8-10
• 1.1.1 碳纳米管的结构8-9
• 1.1.2 碳纳米管的分类9-10
• 1.2 碳纳米管的化学修饰10-13
• 1.2.1 碳纳米管的共价化学修饰11-12
• 1.2.2 碳纳米管的非共价化学修饰12
• 1.2.3 碳纳米管的管内化学修饰12-13
• 1.3 化学修饰电极13-16
• 1.3.1 传统电极简介13-14
• 1.3.2 碳纳米管修饰电极14-15
• 1.3.3 碳纳米管修饰电极的应用15-16
• 1.4 本论文选题的目的，意义及研究方法16-17
• 第2章 化学修饰多壁碳纳米管在硝基苯还原反应中的电催化研究17-35
• 2.1 实验试剂17
• 2.2 实验仪器17-18
• 2.3 多壁碳纳米管的表征18
• 2.4 多壁碳纳米管的实验室修饰18-19
• 2.5 结果与讨论19-34
• 2.5.1 硝基苯还原反应的电催化探究19-24
• 2.5.2 硝基苯还原反应的机理探究24-34
• 2.6 本章小结34-35
• 第3章 化学修饰多壁碳纳米管在氧气还原反应中的电催化研究35-55
• 3.1 实验试剂35
• 3.2 实验仪器35-36
• 3.3 多壁碳纳米管的表征36-37
• 3.4 结果与讨论37-54
• 3.4.1 氧还原催化活性及反应机理的探究37-43
• 3.4.2 其他碳材料氧还原活性的探究43-46
• 3.4.3 密度泛函理论计算46-52
• 3.4.4 氧还原反应稳定性的探究52-54
• 3.5 本章小结54-55
• 第4章 锰铁氧体纳米晶组装体在硝基苯还原反应中的电催化研究55-64
• 4.1 实验试剂55
• 4.2 实验仪器55-56
• 4.3 锰铁氧体纳米晶组装体的表征56
• 4.4 锰铁氧体纳米晶组装体的制备56
• 4.5 结果与讨论56-63
• 4.5.1 锰铁氧体纳米晶组装体的形貌和结构56-57
• 4.5.2 锰铁氧体纳米晶组装体的电化学阻抗测试57-58
• 4.5.3 锰铁氧体纳米晶组装体的电化学催化测试58-63
• 4.6 本章小结63-64
• 结论64-65
• 参考文献65-74
• 攻读学位期间的研究成果74
• 攻读学位期间的获奖情况74-75
• 致谢75-76

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本文编号：890324