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石墨烯—金属纳米复合材料的合成及其性质研究

作　者: 张文贝
导　师: 高志永; 蒋凯
学　校: 河南师范大学
专　业: 无机化学
关键词: 石墨烯复合物催化电化学传感染料敏化光伏电池
分类号: TB383
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

石墨烯，即单层或有限层石墨，是碳原子以sp2杂化键合方式组成的二维原子晶体。由于具有大范围的sp2共轭碳骨架及单个碳原子厚度，石墨烯表现出异常的机械强度，光、电、热传导性能及巨大的比表面积，因此石墨烯及其复合材料在电学、光电、力学、传感、能源、催化等领域具有非常广阔的应用前景。在本论文中，我们合成出了一系列石墨烯-金属复合材料，并对这类材料在染料敏化光伏电池对电极，电化学传感，催化等方面的性能进行了研究。主要研究内容如下：（1）以石墨烯为载体，合成了石墨烯-金复合物，所得复合物中金纳米颗粒的平均粒径为11nm，在石墨烯片层表面分散性好。相比单纯金纳米颗粒，复合物对K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]氧化还原电对的催化活性有显著提高。此外，与纯金纳米颗粒相比，复合物对电化学还原对硝基苯酚具有更高的催化活性，可用于对硝基苯酚的电化学检测，其中金负载量为10%的金纳米复合物修饰电极体现了很宽的线性检测范围（0.47μM-10.75mM）、较高的灵敏度（52.85μA/mM）及较低的检测限（0.47μM）。（2）选用硫脲，氨基硫脲，丙烯基硫脲等不同添加剂，合成出了石墨烯-金复合材料。比较了添加剂对产物形貌的影响，并且研究了这类复合材料对硼氢化钠还原对硝基苯酚的反应的催化性能。结果表明，所得复合物中金纳米颗粒平均粒径为20nm左右，相比纯粹金纳米颗粒，具有更高的催化活性，在三种不同添加剂诱导生成的复合物中，硫脲辅助形成的复合物稳定性最佳。（3）制备了石墨烯-铂复合材料，研究了复合材料对I3-/I-电对的的催化性能。相比铂纳米颗粒，复合材料在大幅降低了铂用量的情况下，依然保持了跟纯铂相当的催化能力。将复合物用于染料敏化光伏电池对电极，光电转化效率达到4.36%，与纯铂对电极相当，在降低电池成分方面做了有益尝试。（4）用盐酸羟胺作为还原剂和保护剂，设计合成了雪花状结构的金颗粒与石墨烯的复合物。探讨了复合材料的产生机理，并初步探讨了复合材料的催化性能。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-28
  1.1 石墨烯的发现  11
  1.2 石墨烯的特性  11-14
    1.2.1 机械强度性质  11-12
    1.2.2 热学稳定性质  12-13
    1.2.3 电学性质  13
    1.2.4 磁性及光致发光性能  13-14
  1.3 石墨烯的制备  14-17
    1.3.1 微机械分离法  14
    1.3.2 加热 SiC 法  14-15
    1.3.3 化学气相沉积法  15
    1.3.4 外延生长法  15-16
    1.3.5 化学剥离法  16
    1.3.6 电弧放电法  16-17
  1.4 石墨烯的应用  17-20
    1.4.1 石墨烯在纳电子器件方面的应用  17-18
    1.4.2 未来的计算机芯片材料：石墨烯取代硅  18
    1.4.3 新型传感器材料  18-19
    1.4.4 储氢，储锂  19-20
  1.5 基于石墨烯复合材料的制备及性能研究  20-26
    1.5.1 石墨烯与碳基材料(碳纳米管、富勒烯)的复合物  21
    1.5.2 石墨烯高聚物复合物  21-24
    1.5.3 石墨烯纳米粒子复合物  24-26
  1.6 选题背景及主要研究内容  26-28
第二章石墨烯-金复合物的合成及其电化学检测对硝基苯酚的性能  28-40
  2.1 前言  28-29
  2.2 实验材料及设备  29-30
    2.2.1 试剂  29
    2.2.2 实验设备  29-30
  2.3 实验过程  30-32
    2.3.1 材料的合成过程  30
    2.3.2 金石墨烯复合修饰的工作电极制备  30-31
    2.3.3 样品表征及性能测试仪器  31-32
  2.4 结果与讨论  32-38
  2.5 本章小结  38-40
第三章石墨烯-金纳米颗粒复合物的合成及其对对硝基苯酚还原反应的催化性质  40-48
  3.1 前言  40
  3.2 实验材料及设备  40-41
    3.2.1 试剂  40-41
    3.2.2 实验设备  41
  3.3 实验过程  41-43
    3.3.1 金石墨烯复合物的制备  41
    3.3.2 石墨烯铂纳米复合物对对硝基苯酚还原反应的催化性能  41-42
    3.3.3 样品表征及性能测试仪器  42-43
  3.4 结果与讨论  43-47
  3.5 本章结论  47-48
第四章石墨烯-铂纳米颗粒复合物合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用性能  48-56
  4.1 前言  48
  4.2 实验材料及设备  48-50
    4.2.1 试剂  48-49
    4.2.2 实验设备  49-50
  4.3 实验过程  50-52
    4.3.1 材料合成  50-51
    4.3.2 石墨烯铂纳米颗粒复合物 DSSCs 组装  51-52
    4.3.3 样品表征及性能测试仪器  52
  4.4 结果与讨论  52-55
  4.5 本章结论  55-56
第五章石墨烯-雪花状纳米金复合物的合成及其电化学检测对硝基苯酚性能  56-66
  5.1 前言  56-57
  5.2 实验材料及设备  57
    5.2.1 试剂  57
    5.2.2 实验设备  57
  5.3 实验过程  57-59
    5.3.1 材料制备过程  57-58
    5.3.2 金石墨烯复合修饰的工作电极制备  58
    5.3.3 样品表征及性能测试仪器  58-59
  5.4 结果与讨论  59-64
  5.5 本章小结  64-66
第六章结论  66-68
  6.1 结论  66-68
参考文献  68-76
致谢  76-78
攻读学位期间发表的学术论文目录  78-79

石墨烯—金属纳米复合材料的合成及其性质研究

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