石墨烯的催化机理探讨.pdf

石墨烯的催化机理探讨 冯辉 叶县高级中学 河南平顶山4 6 7 2 0 0 摘要 石墨烯凭借其优异的物理化学性能在各种领域发挥着作用 成为时下最热的研究方向之一 石墨烯作为催化材料既可以做辅 助催化剂 也可以自己单独发挥催化作用 但目前为止 对于石墨烯的催化机理还没有高度统一的认识 本文讨论了石墨烯用于光催 化和电催化的机理 介绍了石墨烯用于提高催化效果的一些研究进展 关键词 石墨烯 光催化 电催化 机理 进展 自2 0 0 4 年英国曼彻斯特大学教授安德烈 海姆和康斯坦 丁 诺沃肖洛夫制备出石墨烯材料并于2 0 1 0 年获得诺贝尔物 理学奖以来 石墨烯便成为了全球的研究热门课题川 我国是石 墨资源大国 石墨矿储量占世界总储量的7 5 2 当前石墨烯产 品民用化也十分火爆 经过一些列产业化运作 下游应用已经 实现盈利 如护理腰带 石墨烯涂料 石墨烯润滑油 石墨烯地 板及石墨烯玻璃等 石墨烯在催化方面也有许多应用 石墨烯可用于光催化 与电催化 可掺杂硼 氮 磷等 也可以与现有的催化材料复合 使用 比如T i0 B i W 0 6 等bJ l 催化原理 石墨烯的催化机理有一些复杂 催化类型不同 原理也会 有差异 掺杂不同的元素 可能涉及到的机理也会有区别 关于 石墨烯的催化原理目前还没有十分统一的说法 我们试着列举 分析一些具体的例子 1 1 光催化 影响光催化的因素大致有禁带宽度 能带位置 激发电子 空穴复合概率 光催化剂的结晶性及吸附能力等几个方面 禁 带宽度决定了光化学活性区的位置 禁带宽度较大的光催化材 料只能在紫外区显示出光化学活性 把石墨烯复合可以缩小其 它光催化材料的禁带宽度 从而提高可见光的利用率 使光催 化效率提高 能带位置决定光催化反应能否发生 抑制激发电 子一空穴的复合可以提高光催化效率 利用石墨烯优良的导电 性能 可以使激发电子迅速转移到石墨烯中 而不是积累在催 化材料表面 这就降低了激发电子与空穴复合的概率 提高了 材料光催化效率口 T iO 在光催化材料带隙较宽 限制了对可见光的利用率 且T i0 2 光生一电子空穴对的复合速度极快 会损失9 0 左右 的光生载流子 为此 可将T iO 附着在吸附剂的表面 石墨烯 具有独特的二维形貌和优异的物理化学性能 具有2 D 尢一丌 共轭结构 可以作为高效的电子受体 降低光生载流子的复合 速度 提高附着于其表面的催化剂的催化活性 4 1 2 电催化 石墨烯与三聚氰胺在7 0 0 E 惰性气氛下退火得到氮原子 掺杂的石墨烯 N G 再在1 1 5 0 下退火两小时得到具有缺陷 结构的石墨烯 D G 发现在7 0 0 E 退火条件下有N 原子 而在本 征石墨烯和1 1 5 0 E 处理后的D G 中均未发现N 的存在 随着掺 杂以及去掺杂处理 其缺陷程度逐渐提高 I I 的数值依次为 0 8 9 1 0 6 1 1 3 在高角环形暗场像一扫描透射电子显微镜的 帮助下更明显的检测到了缺陷位的存在 除了石墨烯本身具有 的六边形结构外 在D G 中发现了五边形 七边形和八边形的缺 陷 电化学表征发现D G 的氧还原催化性能要比N G 和G 高许 多 接近商业化P t C 此外 D G 也具有较高的O E R 和H E R 催 化活性 此外 通过接触角测试发现D G N G 和G 的亲水性依次 降低 这对D G 的电催化活性提高也有一定帮助 2 研究进展 石墨烯提高光催化效率的方法主要有3 种 即复合法 包 覆法和石墨烯自身参与光催化反应 陆乃彦 5 等利用新型碳材料还原氧化石墨稀对T iO 进 行改性 以氧化石墨烯 o a 和钛酸四丁酯为原料 采用溶剂热 法在1 8 0 下煅烧6 h 成功制备了不同还原氧化石墨烯含量的 R G O T i0 纳米复合材料 锐钛矿相T i0 2 通过C O T i键均 匀地分布在片层还原氧化石墨烯载体上 与纯纳米T iO 相比 R G O T iO 复合材料对甲基橙溶液的降解率明显提高 当G O 的 添加量为4 0 m g 时 对甲基橙的光催化降解率提高到5 0 为了加快光生电子一空穴的分离 孟献文怕1 等通过改进 H u m m e r s 法制备了氧化石墨烯 G O 采用液相沉淀法合成 了A V O G O 复合物 利用G O 层状结构和优异的导电性能 以及A g 基材料良好的可见光响应性 试图利用G O 协助加快 A g V O 的电子传输 从而提高其可见光催化效率 可见光辐射 下 入 4 2 0 n m 掺杂质量分数2 的G O 复合物光催化活性提 高最显著 3 0 分钟内对M O 的降解率可达到8 9 以上 是纯 A g V O 光催化活性的3 倍 周灵怡 7 等采用一种不需要使用表面活性剂的模板辅 助法成功合成出了石墨烯中空球 并利用电沉积法负载P t 纳米颗粒 该载P t 石墨烯中空微球具有非常高的比表面积 2 2 6 4 m 2 a 和相互连通的结构 该载P t 石墨烯中空球的电化 学活性表面积高达4 3 2 7 m 2 z P t 峰值电流密度几乎是商 业铂碳的两倍 且稳定性明显高于商业化铂碳 该载P t 石墨 烯中空球对甲醇氧化展现出了极好的应用前景 2 0 1 7 年3 月托 虿碍l 2 1 3 3 结语 本文结合具体实验案例对石墨烯的催化机理进行了分 析 对石墨烯的研究现状进行了回顾 石墨烯的能带结构特点 及大的比表面积均有利于提高催化性能 试验中还是以与其它 催化材料复合使用居多 随着研究深入 石墨烯的明天一定更 加美好 参考文献 1 N O v OSe lo vK S G e i n lA K M o r o z o v S V e t a 1 E 1 e ct r iCf ie l de f f e ctina t o m ica l l yt h inca r b o n f il m s J s cie n ce 2 0 0 4 3 0 6 5 6 9 6 6 6 6 6 6 9 2 阎若思 吴蕾于波 等 浅析我国石墨烯产业发展现 状及创新趋势 J 河北企业 2 0 1 6 1 2 3 宗恺 汪浩 刘晶冰 等 石墨烯在光催化反应中应 用的研究进展 J 化工进展 2 0 1 2 3 1 1 2 2 7 3 6 2 7 4 2 4 L iuC Z h a n gL L iuR e ta 1 H y d r o t h e r m a l s y n t h e s is O f N d o p e d T iO2 n a n o w ir e sa n d N d o p e dg r a p h e n eh e t e r O s t r u ct u r e sw it he n h a n ce d p h o t o ca t a l y t icp r o p e r t ie s J J o u r n a l o f A l l o y s C o m p o u n d s 2 0 1 6 6 5 6 2 4 3 2 5 陆乃彦 张亚强 吴世嘉 还原氧化石墨烯一T i0 2 复合纳米材料制备与光催化性能 J 南京大学学 报 自然科学版 2 0 1 6 5 2 6 6 孟献文 宋肖 刘素芹 等 钒酸银 氧化 石墨烯复合物的制备和可见光催化性能 J 应用化 学 2 0 1 6 3 3 1 2 1 4 4 1 1 4 4 7 7 周灵怡 方立国 载P t 石墨烯中空微球催化剂的制 备及其电催化性能 J 化工进展 2 0 16 3 5 9 2 7 9 6 2 8 0 1 尖晶石构型L i4 Ti5 01 2 锂离子电池负极材料的 研究进展 关若然 中央民族大学附属中学 北京1 0 0 0 8 9 摘要 以尖晶石构型的钛酸锂作为负极材料的离子电池稳定性 高 充放电循环寿命长 具有良好的应用前景 本文主要对尖晶 石构型钛酸锂L i T i 0 的制备方法和改性方法进行了总结 并 综合其应用价值和前景对钛酸锂的未来作出展望 关键词 钛酸锂 锂电池 制备方法 改性 研究进展 U 引舌 随着现代工业的迅猛发展 由此引发的环境问题也越来越 严重 比如近期数次袭击了京津冀地区的雾霾 及由此带来的 限行 让人们越来越认识到清洁能源的重要性 动力电池和储 能电池的研究无疑是对环境保护有着积极的意义 2 0 1 6 年1 2 月份 董明珠个人 万达 京东等5 家共增资3 0 亿元入股珠海银 隆 使得珠海银隆为人熟知 据悉 珠海银隆新能源有限公司的 钛酸锂电池寿命可长达十年 在齐齐哈尔零下3 0 度的低温下 仍能正常运行 因此 越来越多的研究者开始关注钛酸锂电池 的研制 1 制备方法 当前制备L i T i O 的主要方法包括固相法 溶胶一凝胶 法 水热法 溶剂热法 熔盐合成法及微波固相法 其中固相法 溶胶一凝胶法和溶剂热法这三种方法研究较充分 原理和工艺 已经较为成熟 1 1 高温固相法 固相法是最常见的一种方法 工艺简单 成本较低 但产 品颗粒大 成分易偏析 马光强以锂钛摩尔比为O 8 3 的偏钛酸 和碳酸锂为配料 8 0 0 温度下烧结6h 获得纯相的尖晶石型 L i4 T i 0 用其组装成的C R 2 0 1 6 扣式电池具有良好的电化学 性能 0 1 C 倍率时 首次充放电容量达1 5 8 6 3 m A h g 效率为 9 8 7 6 1 2 溶胶一凝胶法 溶胶凝胶法制备的产物颗粒细小且分散程度高 能够达 到在分子或原子水平上的均匀混合 并且可调控产物的形貌 结构及性能 这些优点使