氮掺杂碳微球和碳量子点的制备及其性能研究

发布时间：2017-05-05 08:14

  本文关键词：氮掺杂碳微球和碳量子点的制备及其性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：氮掺杂多孔碳是一类重要的碳材料,它具有较大的比表面积,良好的导电性和亲水性,在超级电容器电极、非均相催化和氧还原催化等方面有很广泛的应用。氮掺杂碳量子点是另一类新型碳材料,它具有较高的荧光强度、低毒性和生物相容性等特点,在离子或分子荧光探针方面有重要的应用前景。采用合适原料,通过简单高效方法合成氮掺杂碳材料,充分发掘其应用潜力对碳材料的开发和性能拓展有积极意义。啤酒富含氨基酸、糖类等多种营养成分,可作为理想的碳氮源来通过溶剂热操作制备元素掺杂碳材料。本文采用啤酒作为前驱体,通过简单的水热反应同时合成氮掺杂多孔碳微球和碳量子点,微球材料在超级电容器及氧还原电极材料和非均相催化方面都展示出良好的应用性能,而碳量子点呈现出较高的荧光量子产率和优越的荧光稳定性,我们对这两类材料进行细致的结构表征和性能分析,主要内容包括以下几个方面:(1)以啤酒为前驱体水热合成了多孔氮掺杂碳微球(PCM)沉淀,通过用Zn Cl2高温活化得到高比表面积、导电性和亲水性良好的多孔氮掺杂碳微球(a-PCM)。对aPCM进行结构分析发现,其内部碳骨架上的吡啶型氮和石墨型氮对a-PCM的应用性能有很大的帮助。作为超级电容器电极a-PCM能提供较高电双层电容和一定的赝电容,在1 A/g电流密度下,其比电容为273.2 F/g,这在合成的各种碳微球种类中是比较高的。(2)a-PCM可作为非金属催化剂对4-硝基苯酚的还原反应有较高的催化活性。结构分析发现,氮元素的掺杂可改变相邻碳原子的电负性,使碳原子呈现出与金属类似的催化性质。相比传统的贵金属催化剂,a-PCM作为非金属催化剂能够有效降低催化剂成本,在非均相催化方面有很大应用潜力。(3)a-PCM可用作氧还原反应(ORR)的阴极催化剂,替代传统的Pt或Pt基催化材料。将a-PCM用于碱性氧还原体系,能展示出较高的氧还原催化活性。因此,将aPCM作为氧还原催化将极大地降低成本并且进一步提高氧还原催化活性。(4)以啤酒为前驱体水热也同时合成了氮掺杂碳量子点(NCQDs)水溶液,该NCQDs对酸碱度敏感,再结合氮掺杂碳量子点都具有的生物相容性的特点,可以将NCQDs作为p H敏感的荧光探针应用于生物医学方面。另外,向NCQDs中加入不同的阳离子和阴离子(400μM)后,发现其荧光强度几乎没有发生变化,说明NCQDs的抗干扰能力很强;同时,NCQDs在干燥状态仍呈现出良好荧光性能。(5)将NCQDs与氧化石墨烯(GO)作为反应物,经过水热后形成了三维柱状的石墨烯/氮掺杂碳量子点(3DG/NCQDs)复合物,该复合物具有较高的比表面积和导电性。将3DG/NCQDs用于超级电容器电极,发现在1 A/g电流密度下,其比电容为287.5 F/g,这远远大于单纯的三维柱状石墨烯的比电容127.4 F/g。该复合材料同时具备良好的倍率和循环稳定性,显示出3DG/NCQDs在超级电容器方面的应用前景。
【关键词】：氮掺杂多孔碳微球 氮掺杂碳量子点 3DG/NCQDs 超级电容器 燃料电池 催化剂 荧光 水热合成法
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 引言11-12
• 1.2 碳量子点简介12-14
• 1.2.1 碳量子点发光原理12-13
• 1.2.2 碳量子点常用的表征方法13-14
• 1.3 超级电容器简介14-16
• 1.3.1 超级电容器工作原理14-15
• 1.3.2 超级电容器的主要性能表征15-16
• 1.4 燃料电池简介16-17
• 1.4.1 氧还原反应的机理17
• 1.4.2 氧还原催化的主要性能表征17
• 1.5 碳材料的相关研究进展17-20
• 1.5.1 碳材料在荧光量子点方面的进展17-18
• 1.5.2 碳材料在超级电容器方面的进展18-19
• 1.5.3 碳材料在氧还原催化方面的进展19-20
• 1.6 本论文的研究目的和主要内容20-23
• 第二章 氮掺杂多孔碳微球的制备及在超级电容器中的应用23-39
• 2.1 前言23-24
• 2.2 实验过程24-25
• 2.2.1 合成方法24
• 2.2.2 将不同样品组装成超级电容器24
• 2.2.3 样品相关的特性测试24-25
• 2.2.4 样品相关的电化学测试25
• 2.3 结果与讨论25-37
• 2.3.1 样品的合成过程分析25-27
• 2.3.2 PCM的形貌、微观结构和表面特性分析27-32
• 2.3.3 样品的电化学性能分析32-37
• 2.4 本章小结37-39
• 第三章 氮掺杂多孔碳微球对对硝基苯酚的催化39-47
• 3.1 前言39-40
• 3.2 实验部分40
• 3.2.1 合成方法40
• 3.2.2 样品催化测试的前处理40
• 3.2.3 样品的相关特性测试40
• 3.2.4 样品相关的催化测试40
• 3.3 结果与讨论40-45
• 3.3.1 样品合成过程的分析40-41
• 3.3.2 样品的特性分析41
• 3.3.3 样品的催化性能分析41-45
• 3.4 本章小结45-47
• 第四章 氮掺杂多孔碳微球在氧还原催化性能方面的研究47-55
• 4.1 前言47-48
• 4.2 实验部分48-49
• 4.2.1 合成方法48
• 4.2.2 样品ORR催化测试的前处理48
• 4.2.3 样品相关的特性测试48
• 4.2.4 样品相关的ORR催化测试48-49
• 4.3 结果与讨论49-53
• 4.3.1 样品的合成过程分析49
• 4.3.2 样品的特性分析49-50
• 4.3.3 样品的ORR电催化性能分析50-53
• 4.4 本章小结53-55
• 第五章 氮掺杂碳量子点的制备及在荧光中的应用55-65
• 5.1 前言55-56
• 5.2 实验部分56
• 5.2.1 合成方法56
• 5.2.2 NCQDs的相关测试56
• 5.3 结果与讨论56-63
• 5.3.1 NCQDs的合成过程分析56
• 5.3.2 NCQDs的特性分析56-63
• 5.4 本章小结63-65
• 第六章 氮掺杂碳量子点与石墨烯复合在超级电容器中的应用65-77
• 6.1 前言65-66
• 6.2 实验部分66-68
• 6.2.1 合成方法66
• 6.2.2 分别将 3DG和复合物组装成超级电容器66-67
• 6.2.3 3DG和复合物相关的特性测试67
• 6.2.4 3DG和复合物相关的电化学测试67-68
• 6.3 结果与讨论68-76
• 6.3.1 3DG和复合物的形貌、微观结构和表面特性分析68-71
• 6.3.2 3DG和复合物的电化学性能分析71-76
• 6.4 本章小结76-77
• 第七章 结论77-79
• 参考文献79-91
• 致谢91-93
• 攻读学位期间发表的学术论文目录93-94

【共引文献】

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  本文关键词：氮掺杂碳微球和碳量子点的制备及其性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：346007