磷掺杂碳基材料的设计、合成及其催化性能的研究

发布时间：2017-06-10 18:11

  本文关键词：磷掺杂碳基材料的设计、合成及其催化性能的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：为了满足日趋增长的工业生产需求,绿色、高效的催化剂的研究和开发引起了广泛的关注。碳基材料由于其价格低廉,毒性低,生物相容性好,同时具有较好的稳定性,在催化,生物,光电和传感等领域中具有很大的潜力。近年来的研究发现,非金属杂原子在碳结构中的掺杂能够提高原始碳材料的催化性能。本文中,通过改进的合成方法,合成了磷掺杂的大孔碳球、碳点和活性炭及以磷掺杂碳点为基础的复合催化剂,并探究掺杂对性质的改变以及它们在催化方面的应用,主要内容包括以下几个方面:(1)使用植酸作为原料,采用模板法合成了具有高比表面积的磷掺杂大孔碳球,该大孔碳球的比表面积为574.68 m2 g-1,最高磷含量达到6%。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)以及X射线粉末衍射(XRD)表征证实了其具有大孔结构,X射线光电子能谱(XPS)、元素分析(EDS)和红外(FT-IR)表征证明了磷元素的成功掺杂。将其应用于催化氧化环辛烯的反应中,一系列实验结果表明,由于其具有的独特孔状结构、较高的比表面积和磷元素掺杂产生的大量活性位点,该新型催化剂在比较温和的条件下对于环辛烯的催化氧化具有较高的转化率和选择性(分别达到50.69%和88.47%)。(2)通过一种简便的电化学刻蚀法制备了磷掺杂碳点,该碳点在高分辨透射(HRTEM)下显示尺寸大约在3到5 nm之间,EDS、XPS和FT-IR表征证明了磷元素的成功掺杂,同时该碳点具有独特的紫外和荧光特性。将该磷掺杂碳点应用于催化氧还原反应(ORR),结果显示磷掺杂碳点具有较正的起峰电位和较大的电流密度,同时具有很好的稳定性和抗甲醇能力。我们通过调控制备过程中的原料比例获得了具有不同磷元素含量的磷掺杂碳点,并进一步阐述了磷含量对于电催化活性的影响。(3)使用搅拌的方法获得了金纳米粒子和磷掺杂碳点的复合物,通过TEM、XRD、Raman以及荧光(PL)等方法表征了该复合物的结构和形貌特征,并应用于催化ORR。研究发现在可见光照射条件下金纳米粒子在复合物中能够进一步增强磷掺杂碳点的光响应,它们的协同交互作用极大提高了单独组分的催化性能。与传统的Pt/C催化剂相比,该复合物在可见光照射下有着相似的起峰电位和电流密度,同时具有更高的稳定性和抗甲醇能力。同时,磷含量的提高也能增强该复合物的电催化氧还原反应的能力。(4)通过在光照条件下的简单搅拌合成了磷酸钴和磷掺杂碳点的复合物,通过SEM、TEM、XRD、FT-IR、Raman以及PL等方法表征了该复合物的结构和形貌特征,并应用于催化水氧化(OER)。实验结果表明该复合物具有很好的电催化活性,表现为较低的过电势、大的电流密度以及较小的塔菲尔斜率。同时,磷掺杂碳点在磷酸钴表面形成的保护层增强了该复合物的稳定性。(5)使用三苯基膦作为磷源,通过加热的方法制备了磷掺杂活性炭,并运用SEM、TEM、XRD、FT-IR和Raman等表征手段研究了磷掺杂活性炭的形貌和结构,将其应用于催化ORR。研究发现通过对原始活性炭的预处理,能提高磷元素在活性炭中的掺杂量。该磷掺杂活性炭在碱性条件下具有较正的起峰电位和较大的电流密度,同时具有很好的稳定性和抗甲醇能力。
【关键词】：碳基材料 磷掺杂 选择性氧化 电催化
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ127.11;O643.36
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-43
• 1.1 碳点概述13-19
• 1.1.1 碳点的制备13-15
• 1.1.2 碳点的性质15-17
• 1.1.3 碳点的应用17-19
• 1.2 碳纳米管概述19-25
• 1.2.1 碳纳米管的制备20-21
• 1.2.2 碳纳米管的性质21-23
• 1.2.3 碳纳米管的应用23-25
• 1.3 石墨烯概述25-31
• 1.3.1 石墨烯的制备26-28
• 1.3.2 石墨烯的性质28-30
• 1.3.3 石墨烯的应用30-31
• 1.4 本课题的选题依据和意义及主要研究内容31-33
• 1.4.1 选题依据和意义31-32
• 1.4.2 主要研究内容32-33
• 参考文献33-43
• 第二章 磷掺杂大孔碳球对环辛烯选择性催化氧化的研究43-55
• 2.1 实验试剂与仪器43-44
• 2.2 实验与表征44-46
• 2.2.1 样品的制备44-46
• 2.2.2 催化实验46
• 2.3 结果与讨论46-51
• 2.3.1 结构表征46-48
• 2.3.2 催化剂对环辛烯选择性氧化催化性能的研究48-51
• 2.4 结论51
• 参考文献51-55
• 第三章 磷掺杂碳点的制备及其在催化氧还原反应的应用55-65
• 3.1 实验试剂与仪器55-56
• 3.2 实验及表征56-57
• 3.2.1 样品的制备56-57
• 3.2.2 催化实验57
• 3.3 结果与讨论57-62
• 3.3.1 结构表征57-59
• 3.3.2 催化剂对氧还原电催化性能的研究59-62
• 3.4 结论62
• 参考文献62-65
• 第四章 金纳米粒子和磷掺杂碳点复合物的制备及其在光诱导下催化氧还原反应的研究65-75
• 4.1 实验试剂与仪器65-66
• 4.2 实验与表征66-68
• 4.2.1 样品的制备66-67
• 4.2.2 催化实验67-68
• 4.3 结果与讨论68-72
• 4.3.1 结构表征68-69
• 4.3.2 催化剂对氧还原电催化性能的研究69-72
• 4.4 结论72
• 参考文献72-75
• 第五章 磷酸钴和磷掺杂碳点复合物的制备及在催化水氧化方面的应用75-84
• 5.1 实验试剂与仪器76
• 5.2 实验及表征76-77
• 5.2.1 样品的制备76-77
• 5.2.2 催化实验77
• 5.3 结果与讨论77-81
• 5.3.1 结构表征77-79
• 5.3.2 催化剂对水的电化学氧化催化性能的研究79-81
• 5.4 结论81
• 参考文献81-84
• 第六章 磷掺杂活性炭的制备及其在氧还原反应的应用84-93
• 6.1 实验试剂与仪器84-85
• 6.2 实验及表征85-86
• 6.2.1 样品的制备85
• 6.2.2 催化实验85-86
• 6.3 结果与讨论86-90
• 6.3.1 结构表征86-88
• 6.3.2 催化剂对氧还原电催化性能的研究88-90
• 6.4 结论90
• 参考文献90-93
• 第七章 总结93-95
• 硕士期间发表论文95-96
• 致谢96-97

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 李大成,周大利,刘恒,张萍,张云,龚家竹;纳米TiO_2的特性[J];四川有色金属;2002年03期

2 任成军,李大成,钟本和,周大利,刘恒,龚家竹;影响TiO_2光催化活性的因素及提高其活性的措施[J];四川有色金属;2004年04期

3 钱翼清,赵平,王卫华;烷基化纳米SiO_2/MMA乳液聚合物及其对PC的改性研究[J];工程塑料应用;2002年01期

4 王孝军,杨杰,龙盛如;纳米材料及其在工程塑料改性中的应用[J];工程塑料应用;2002年10期

5 刘建林,肖久梅,史孝群,龚春秀,马文江;纳米CaCO_3填充环氧树脂分散技术及力学性能研究[J];工程塑料应用;2003年03期

6 惠雪梅,张炜,王晓洁;环氧树脂/SiO_2,纳米复合材料性能的研究[J];工程塑料应用;2004年02期

7 安骏,吴海霞,辛寅昌;防高能辐射的树脂/纳米铅复合材料的制备及研究[J];工程塑料应用;2004年12期

8 郑海忠,张坚,鲁世强,徐志锋;选区激光烧结制备PS/Al_2O_3纳米复合材料的研究[J];工程塑料应用;2005年09期

9 安骏;刘吉华;辛寅昌;;树脂纳米铈防辐射复合材料的制备及其性能研究[J];工程塑料应用;2006年08期

10 郭冬勇,赵德国;纳米材料的现行测量技术[J];安徽教育学院学报;2002年06期

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 谭淑媛;几种稀土发光材料的合成及发光性质的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

2 王德广;金属粉末高致密化成形及其数值模拟研究[D];合肥工业大学;2010年

3 赵世华;ZnO纳米阵列的制备和稀土掺杂工艺及其发光性能的研究[D];湖南大学;2010年

4 周红洋;硫属化合物纳米材料的可控性合成与表征[D];中国科学技术大学;2010年

5 杜海军;石墨烯和荧光碳纳米颗粒的制备及其电化学特性的研究[D];华南理工大学;2010年

6 张贵军;聚丙烯酸酯/纳米氧化锡锑复合乳液的制备、表征及其在透明隔热涂料中的应用研究[D];华南理工大学;2010年

7 王文涛;天然橡胶/蒙脱土纳米复合材料的阻隔性及相关性能研究[D];华南理工大学;2010年

8 于晓慧;金属掺杂TiO_2和ZnO的第一性原理研究[D];江苏大学;2010年

9 赵佳飞;纳米流体辐射特性机理研究及其在太阳能电热联用系统中的应用研究[D];浙江大学;2009年

10 张邵波;纳米流体强化传热的实验和数值模拟研究[D];浙江大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 王术立;过渡金属钌配合物纳米球及铱配合物的复合纳米纤维的发光及传感性能研究[D];东北师范大学;2010年

2 谷建民;水热法合成单晶三氧化二铁分级结构及光催化性质的研究[D];东北师范大学;2010年

3 李红霞;金属氧化物纳米结构的水热合成与表征[D];东北师范大学;2010年

4 方珏;有序介孔碳修饰电极在电化学生物传感器中的应用研究[D];东北师范大学;2010年

5 刘玲;钴化合物/有序介孔碳复合材料在电化学传感器中的应用[D];东北师范大学;2010年

6 吴燕慧;新型碳材料修饰电极在电分析中的应用研究[D];东北师范大学;2010年

7 单德才;电纺纳米纤维修饰电极及其电催化的应用[D];东北师范大学;2010年

8 肖婧;室温下两亲分子辅助的纳米材料的合成[D];东北师范大学;2010年

9 黄慧;基于纳微米复合结构的荧光性质调控和催化剂设计[D];东北师范大学;2010年

10 李文文;直接掺杂与原位合成的ZnS/PPV纳米复合纤维的制备和光电性能研究[D];东北师范大学;2010年

  本文关键词：磷掺杂碳基材料的设计、合成及其催化性能的研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：439414