石墨烯基金属纳米修饰电极的制备及其电催化特性研究

发布时间：2017-04-19 16:00

  本文关键词：石墨烯基金属纳米修饰电极的制备及其电催化特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：纳米材料由于具有量子尺寸效应、小尺寸效应及表面效应等特有的物理和化学性质,己成为物理、化学、材料等许多学科研究的前沿领域。贵金属纳米粒子是纳米粒子的一个重要组成部分,由于贵金属纳米粒子具有区别于本体材料的优异的光、电、磁、催化性能,它将贵金属独特的物理化学性质与纳米粒子的特殊性能有机的结合起来,在化学催化、能源、电子和生物等领域有着广泛的应用前景。碳材料由于碳元素有独特的sp/sp2/sp3三种杂化形式,形成了丰富多彩的碳质材料世界。近二十几年来,从零维的富勒烯到一维的碳纳米管,再到近期的二维石墨烯,因为它们具有良好的导电性和高的比表面积,使得碳材料是理想的载体材料,而石墨烯是紧密堆积的二维蜂窝状结构的碳原子晶体,与其它两种碳材料相比(富勒烯和碳纳米管),石墨烯具有更大的比表面积及更好的导电能力,使得其被认为是当今最好的催化剂载体之一。本论文结合贵金属纳米粒子及石墨烯两者的催化性能,报道了贵金属纳米粒子与石墨烯构成的修饰电极,将其用于硝基酚的电催化还原,以及对葡萄糖的电催化氧化,研究了其催化反应的机理,拓展了石墨烯负载贵金属纳米材料在电化学和水处理中的应用。本论文主要分为以下四个部分：1.电沉积纳米钯修饰玻碳电极对间硝基酚的电催化还原采用电化学沉积法制备了纳米钯修饰玻碳电极(Pd/GCE),并用扫描电镜研究了纳米钯的形态,发现在最佳沉积电位范围内得到的纳米钯尺寸约在20-50 nm且均匀地分散在玻碳电极的表面,此电极对间硝基酚的还原有很好的电催化性能。利用循环伏安法研究了Pd/GCE电极对间硝基酚溶液的电催化还原行为,结果表明：与裸玻碳电极相比,在Pd/GCE电极上的硝基酚的还原电位明显向正电位方向移动；同时伴随着电流增大。恒电位电解证实,在相同电位下,Pd/GCE电极上的硝基酚的还原电流约为GCE电极上的20倍。并研究了电沉积电位对电极催化性能的影响,及考察了不同pH值对Pd/GCE电极催化性能的影响。同时,用X-射线光电子能谱(XPS)检测了钯存在于玻碳电极表面。2.石墨烯修饰玻碳电极对间硝基酚的电催化还原采用一种简单的方法制得了石墨烯修饰的玻碳电极(RGO/GCE),并将其用于对硝基酚的电催化还原研究。利用循环伏安法和线性扫描伏安法研究了RGO/GCE电极对问硝基酚的电催化还原行为,结果表明,与裸玻碳电极(GCE)和氧化石墨烯电极(GO/GCE)相比,在RGO/GCE电极上,硝基酚的还原电位比在GCE或GO/GCE电极上的还原电位明显向正电位方向移动,且电流增大很多。同时考察了不同pH值对RGO/GCE电极催化性能的影响,以及不同浓度时硝基酚的电催化还原,并对其还原机理进行了探讨。3.石墨烯基金纳米粒子修饰电极对碱性溶液中葡萄糖溶液的电催化氧化在前面石墨烯修饰玻碳电极的基础上,本文在RGO/GCE电极的表面进一步修饰贵金属纳米粒子,并研究它的催化作用。在本文中,用恒电位法,在不同电位下沉积纳米金于石墨烯修饰的玻碳电极上,制成Au/RGO/GCE电极,实验证明：在-0.3 V(vs.SCE)下,电沉积金为250μgcm-2时,金纳米粒子的尺寸约为70nm时,这种Au/RGO/GCE电极对葡萄糖表现出最好的催化活性,主要原因是较小粒径的金纳米粒子均匀地沉积在RGO/GCE的表面。通过对碱性溶液中葡萄糖的电化学行为的详细研究,得到了丰富的实验数据,有利于对碱性溶液中葡萄糖的电化学氧化机理进一步的了解。同时Au/RGO/GCE电极表现出较好的电化学稳定性,快速的电子转移能力,以及高的电流密度(相对于其它文献的金电极)。同时XPS光谱实验数据表明,在本文的实验条件下,金没有被氧化。4.石墨烯基金-银纳米粒子修饰电极对碱性溶液中葡萄糖的电催化氧化研究用恒电位法,在-0.3 V(vs.SCE)下,沉积一定量的纳米金和银于石墨烯修饰的玻碳电极上,制成Au/Ag/RGO/GCE和Ag/Au/RGO/GCE电极,用此两种电极来研究碱性溶液中的葡萄糖的电化学氧化。实验结果表明：银在双金属电极中起到了很好的电催化葡萄糖氧化的作用,沉积的金与银的质量比对葡萄糖的电氧化行为影响较大。Au/Ag/RGO/GCE和Ag/Au/RGO/GCE电极的催化活性和稳定性通过循环伏安法来考察。在碱性溶液中葡萄糖的氧化过程中,在0.24 V附近的葡萄糖的氧化峰电流在双金属电极上的值是金电极上的4.5倍。此增强的电流密度可能是由于金与银的协同催化作用引起的。其中,Ag/Au/RGO/GCE电极在0.1 M NaOH中的10 mM葡萄糖溶液中经过500圈的循环伏安扫描后,其电流下降只有26.2%,其稳定性优于Au/Ag/RGO/GCE, Ag/Au/GCE和Au/Ag/GCE电极。主要原因是由于RGO的存在有利于金属纳米粒子在电极表面的均匀分散,以及双金属的结构影响了金属纳米粒子的形貌与尺寸,从而影响了电极的性能。
【关键词】：钯纳米粒子 金纳米粒子 电沉积 间硝基酚 电催化还原 还原石墨烯 葡萄糖氧化 Au-Ag双金属电极
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O646.54;TB383.1
【目录】：

• 摘要2-4
• ABSTRACT4-10
• 符号说明10-11
• 第一章 绪论11-42
• 1.1 化学修饰电极11-15
• 1.1.1 化学修饰电极简介11
• 1.1.2 化学修饰电极的制备11-15
• 1.2 石墨烯15-21
• 1.2.1 碳材料的分类和性质15-16
• 1.2.2 石墨烯的物理性质16-17
• 1.2.3 石墨烯的化学性质及制备化学17-21
• 1.3 石墨烯修饰电极21-27
• 1.3.1 氧化石墨烯修饰电极21
• 1.3.2 还原石墨烯修饰电极21-25
• 1.3.3 掺杂石墨烯修饰电极25-27
• 1.4 贵金属纳米粒子负载石墨烯修饰电极27-31
• 1.4.1 钯纳米粒子负载石墨烯修饰电极27-28
• 1.4.2 金纳米粒子负载石墨烯修饰电极28-30
• 1.4.3 铂纳米粒子负载石墨烯修饰电极30-31
• 1.5 本课题选择的意义和内容31-34
• 1.5.1 论文的研究内容32-33
• 1.5.2 论文的创新点33-34
• 参考文献34-42
• 第二章 电沉积纳米钯修饰玻碳电极对间硝基酚的电催化还原42-61
• 2.1 实验部分43-46
• 2.1.1 仪器与试剂43
• 2.1.2 修饰电极(Pd/GCE)的制备43-46
• 2.1.2.1 玻碳电极的预处理44-46
• 2.2 结果与讨论46-57
• 2.2.1 制备的Pd/GCE电极表面形貌的表征46-49
• 2.2.2 Pd/GCE电极对间硝基酚的催化性能研究49-53
• 2.2.3 硝基酚溶液的pH值对电催化还原的影响53-54
• 2.2.4 恒电位下的电催化54-55
• 2.2.5 硝基酚还原的机理研究55-56
• 2.2.6 电解后间硝基酚浓度的测定56-57
• 2.3 本章小结57-58
• 参考文献58-61
• 第三章 石墨烯修饰玻碳电极对间硝基酚的电催化还原61-76
• 3.1 实验部分62-63
• 3.1.1 仪器与试剂62-63
• 3.1.2 修饰电极的制备63
• 3.2 结果与讨论63-72
• 3.2.1 RGO/GCE,GO/GCE修饰电极的表征63-66
• 3.2.2 pH值对RGO/GCE修饰电极的电催化性能影响66-67
• 3.2.3 RGO/GCE修饰电极对问硝基酚的电催化还原67-70
• 3.2.4 间硝基酚在RGO/GCE电极上的电催化还原机理探索70-72
• 3.3 本章小结72-73
• 参考文献73-76
• 第四章 石墨烯基金纳米粒子修饰电极对碱性溶液中葡萄糖溶液的电催化氧化76-92
• 4.1 实验部分77
• 4.1.1 仪器与试剂77
• 4.1.2 Au/RGO/GCE电极的制备77
• 4.2 结果与讨论77-89
• 4.2.1 电极材料和沉积金的电位对金纳米粒子形貌的影响77-80
• 4.2.2 电极材料对葡萄糖电化学氧化的影响80-83
• 4.2.3 沉积金的电位及电量对葡萄糖在Au/RGO/GCE电极上电化学行为的影响83-84
• 4.2.4 氢氧化钠的浓度对葡萄糖在Au/RGO/GCE电极上电化学行为的影响84-85
• 4.2.5 葡萄糖的浓度对葡萄糖的电氧化的影响85-86
• 4.2.6 扫描速度对葡萄糖电化学氧化的影响86-88
• 4.2.7 葡萄糖酸及葡萄糖酸内酯的电化学氧化行为88-89
• 4.3 本章小结89
• 参考文献89-92
• 第五章 石墨烯基金-银纳米粒子修饰电极对碱性溶液中葡萄糖的电催化氧化研究92-118
• 5.1 实验部分93-94
• 5.1.1 仪器与试剂93
• 5.1.2 两种双金属电极：Au/Ag/RGO/GCE;Ag/Au/RGO/GCE电极的制备93-94
• 5.2 结果与讨论94-114
• 5.2.1 沉积于RGO/GCE和GCE电极表面金属粒子的形貌94-98
• 5.2.2 双金属金-银电极对葡萄糖溶液的电催化作用98-101
• 5.2.3 氢氧化钠的浓度、葡萄糖的浓度、扫描速度对Au/Ag/RGO/GCE电极上葡萄糖溶液的电氧化影响101-105
• 5.2.4 氢氧化钠、葡萄糖溶液的浓度,扫描速度对双金属电极Ag/Au/RGO/GCE电极上葡萄糖氧化的影响105-110
• 5.2.5 双金属电极的稳定性110-112
• 5.2.6 双金属电极Au/Ag//RGO/GCE和Ag/Au/RGO/GCE电极的XPS光谱分析112-114
• 5.3 本章小结114-115
• 参考文献115-118
• 第六章 结论118-119
• 致谢119-120
• 攻读博士学位期间发表和待发表论文120-121

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