基于聚苯胺（PANI）的多级氮掺杂碳复合材料的合成与应用研究

发布时间：2017-09-24 20:10

  本文关键词：基于聚苯胺（PANI）的多级氮掺杂碳复合材料的合成与应用研究

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【摘要】：碳纳米材料因具有形貌可控、性能优越等特点,被广泛应用于各个领域,如电化学、催化、传感、吸附等。研究证明,通过对碳纳米材料进行改性(活化、掺杂、复合等)可以进一步提高材料的性能,进而提高其应用价值。杂原子(如氮、硼、硫等)掺杂可以有效地控制碳纳米材料的电子结构和晶体结构,产生优于纯碳纳米材料的物理化学性能。其中氮是碳材料掺杂的理想元素,通过氮掺杂可以有效地改善碳纳米材料的力学、电化学、催化、吸附等性能。高聚物进行热解处理是制备氮掺杂碳材料的有效方法之一。其中,PANI因具有含氮丰富、形貌可控、价格低廉而成为理想的氮源。本论文主要利用PANI所形成的多级氮掺杂碳纳米材料,制备结构新颖、性能优异的新型复合材料。具体工作如下：(1)多级氮掺杂碳纳米纤维的制备及其在超级电容器方面的应用通过水热聚合和高温热解合成具有特殊结构的氮掺杂碳材料,实验操作简便易行,材料结构新颖,为一维多级且表面长有氮掺杂碳针刺状结构的碳纳米纤维复合材料。通过改变碳化温度,可以对材料的孔隙结构、比表面积、氮元素的相对含量以及氮的种类进行可控调节。电化学测试表明,经过750℃碳化的样品(NHCNs-750)拥有优越的电化学性能。本工作中,氮掺杂方法简便易行,氮源(PANI)价廉易得,一维多级核壳结构新颖,材料电化学性能优越,为制作新型电化学材料做出了一定的贡献。(2)制备具有三明治结构的氮掺杂碳纳米片层/NiCo纳米粒子复合材料对AA、DA、UA进行检测抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)、尿酸(UA)是人体中十分重要的神经递质,三种物质的氧化峰电位非常接近。对AA、DA、UA进行高效的检测对人体健康具有非常重要的意义。我们将PANI所形成的多级氮掺杂碳纳米片层和NiCo纳米粒子进行复合,制备具有多级氮掺杂碳纳米片层/NiCo纳米粒子的三明治结构材料(NiCo-NPs-in-N/C),通过改变碳化温度可对材料的结构和组分进行可控调节。电化学测试结果表明,该材料对AA、DA、UA的氧化存在优异的催化性能。NiCo-NPs-in-N/C综合了氮掺杂碳纳米片层和NiCo纳米粒子的催化活性,在很大程度上提高了对AA、DA、UA检测的选择性和灵敏度。三明治结构外侧的碳层对NiCo纳米粒子起到防腐蚀、防聚集的作用,可以有效提高材料的稳定性和再现性。这项工作为电催化领域的研究开发提供了一个新的方向。
【关键词】：聚苯胺 氮掺杂碳纳米材料 碳纳米纤维 钴镍纳米粒子 超级电容器 生物传感器
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TB332
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 1 绪论13-37
• 1.1 碳材料简介13-23
• 1.1.1 碳材料结构的多样性13-21
• 1.1.2 氮掺杂碳材料21-23
• 1.2 超级电容器简介23-31
• 1.2.1 超级电容器的特点23-25
• 1.2.2 超级电容器的分类及工作原理25-28
• 1.2.3 超级电容器的应用28-29
• 1.2.4 超级电容器碳基电极材料29-31
• 1.3 生物传感器概述31-35
• 1.3.1 生物传感器的基本原理31-32
• 1.3.2 生物传感器的应用32-33
• 1.3.3 基于纳米材料的生物传感器33-35
• 1.4 论文选题依据35-37
• 2 多级氮掺杂碳纳米纤维的制备及其在超级电容器方面的应用37-54
• 2.1 引言37-38
• 2.2 实验试剂及仪器38-39
• 2.2.1 实验试剂38
• 2.2.2 实验仪器38
• 2.2.3 表征仪器38-39
• 2.3 实验过程39-41
• 2.3.1 NHCNs材料的制备39
• 2.3.2 NHCNs材料的活化处理39-40
• 2.3.3 电极制备40
• 2.3.4 样品表征40-41
• 2.4 结果分析与讨论41-53
• 2.4.1 样品形貌结构和组分表征41-46
• 2.4.2 电化学性能表征46-53
• 2.5 小结53-54
• 3 制备具有三明治结构的氮掺杂碳纳米片层/NiCo纳米粒子复合材料对AA、DA、UA进行检测54-72
• 3.1 引言54-55
• 3.2 实验试剂及仪器55-56
• 3.2.1 实验试剂55
• 3.2.2 实验仪器55-56
• 3.2.3 表征仪器56
• 3.3 实验过程56-57
• 3.3.1 NiCo_2O_4片层的制备56
• 3.3.2 NiCo-NPs-in-N/C复合材料的制备56-57
• 3.3.3 NiCo-NPs-in-N/C工作电极的制备57
• 3.3.4 样品表征57
• 3.4 结果分析与讨论57-70
• 3.4.1 样品形貌结构和组分表征57-63
• 3.4.2 电化学性能测试63-64
• 3.4.3 对AA、DA和UA进行检测64-70
• 3.5 小结70-72
• 4 结论与展望72-74
• 参考文献74-85
• 致谢85-86
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果86

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本文编号：913219