一氧化碳对铁镶嵌的石墨烯的催化氧化:计算寻求低成本的纳米催化剂 - 副本

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CO Catalytic Oxidation on Iron-Embedded Graphene:Computational Quest for Low-Cost Nanocatalysts

Yafei Li,?Zhen Zhou,?,*Guangtao Yu,?Wei Chen,§and Zhongfang Chen §,*

Institute of New Energy Material Chemistry,Nankai Uni V ersity,Tianjin 300071,People’s Republic of China,The State Key Laboratory of Theoretical and Computational Chemistry,Institute of Theoretical Chemistry,Jilin Uni V ersity,Changchun 130023,People’s Republic of China,and Department of Chemistry,Institute for Functional Nanomaterials,Uni V ersity of Puerto Rico,Rio Piedras Campus,San Juan,Puerto Rico 00931

Recei V ed:December 4,2009;Re V ised Manuscript Recei V ed:January 24,2010

The catalytic oxidation of CO on Fe-embedded graphene was investigated by means of ?rst-principles computations.Fe atom can be constrained at a vacancy site of graphene with a high diffusion barrier (6.78eV),and effectively activate the adsorbed O 2molecule.The reactions between the adsorbed O 2with CO via both Langmuir -Hinshelwood (LH)and Eley -Rideal (ER)mechanisms were comparably studied.The Fe-embedded graphene shows good catalytic activity for the CO oxidation via the more favorable ER mechanism with a two-step route.

1.Introduction

The low-temperature oxidation of carbon monoxide (CO)plays an important role in solving the growing environmental problems caused by CO emission from automobiles,industrial processes,etc.CO oxidation,often quoted as a textbook example of catalytic reaction,is one of the most extensively investigated

reactions in heterogeneous catalysis.1-26Though some noble metals,such as Pd,1Pt,2and Rh,3can effectively catalyze CO

oxidation,these noble metal catalysts usually require high reaction temperature for ef?cient operation.4Thus,scientists continuously seek suitable catalysts to realize the low-temper-ature oxidation of CO.21-27

Nanocatalysis,one of the most exciting sub?elds of the emerging nanoscience,is promising to bring us breakthroughs.

Intrinsically associated

with low dimensionality,some noble

metal clusters show

excellent catalytic behaviors clearly dis-tinguished from those of their bulk forms.For example,although bulk gold has long been thought to be catalytically inactive,free 5-9,28and especially metal oxide supported 10-17,20Au clusters exhibit rather high catalytic activity for CO oxidation.It was revealed that not only the size of gold clusters but also the choice of the oxide support substantially affects the catalytic activity of Au clusters.Obviously,besides “size effect”,the “support effect”has to be considered of superior nanocatalysts.As a novel form of carbon,candidate as the support for metal atoms and clusters to realize new carbon -metal nanocomposite catalysts,since the unique long-range π-conjugated structure brings graphene outstanding thermal,mechanical,and electrical properties.29-34For example,graphene shows the largest strength ever measured,29it is chemically stable and inert,and its ability to conduct electricity is better than that of any other known material at room also advantageous for graphene as a support for heterogeneous catalysts.Very recently,Yoo et al.18demonstrated experimen-tally that small Pt clusters supported on graphene sheets exhibit high catalytic activity for CO oxidation,and graphene sheets display a remarkable modulation to the catalytic performances of Pt clusters.On the theoretical side,Lu et al.19predicted that Au-embedded graphene is a highly active catalyst for CO oxidation,which can be attributed to the partially occupied d

orbital localized in the vicinity of the Fermi level due to the interaction of the Au atom with graphene.These experimental and theoretical investigations provide strong evidence that graphene is an attractive catalyst support that can display unusual behaviors compared with traditional supports.

Although some noble metal (Pt,Au,Pd,etc.)based catalysts are effective for CO oxidation,they are costly and limited in nature,which hampers their more general use in large-scale production.Consequently,researchers devoted great effort to developing low-cost and high-activity non noble metal based catalysts,such as Fe x O y 36,37and Co x O y .21,38,39The recent progress is rather encouraging.Xie et al.21demonstrated that Co 3O 4nanorods have surprisingly high catalytic activity for CO oxidation at very low temperature (-77°C).Via a joint experimental and theoretical study,Xue et al.36revealed that iron oxides can serve as good catalysts for CO oxidation.Nigam and Majumder 40proposed theoretically that Fe atom and small clusters encapsulated with BN fullerene cage are active and stable catalysts for CO oxidation.

In this work,we performed ?rst-principles computations to explore the catalytic performance of non noble metal Fe-embedded graphene for CO oxidation.It is the unique charac-teristics of Fe that prompted us to choose it:inexpensive,environmentally benign,readily available,and rich in the earth,almost meeting all the requirements to develop low-cost,green,and ef?cient catalysts.Since Au-embedded graphene shows high catalytic activity for CO oxidation,19it is natural to expect that Fe-embedded graphene can also exhibit similar catalytic be-havior due to the interaction between the Fe atom and graphene.Several theoretical studies have been performed on metal -graphene composites;41-46however,only electronic and mag-

zhongfangchen@https://www.360docs.net/doc/0f8084630.html, (Z.C.).?

Nankai University.?

Jilin University.§

University of Puerto Rico.

J.Phys.Chem.C 2010,114,6250–6254

625010.1021/jp911535v 2010American Chemical Society

Published on Web 02/24/2010

netic properties were examined.To the best of our knowledge,the present study is the ?rst focusing on the catalytic activity of

non noble metals

supported on graphene for the CO oxidation.2.

Computational Method

Our spin-unrestricted density functional theory (DFT)com-putations were carried

out through an all-electron

method within a generalized gradient

approximation (GGA)for the exchange-correlation term,as implemented in the DMol 3code.47The double numerical basis set including the d-polarization functions (DND)basis set and PW9148functional was adopted.Self-consistent ?eld (SCF)calculations were performed with a convergence criterion of 10-6au on the total energy.To ensure high-quality results,the real-space global orbital cutoff radius was chosen as high as 4.6?in the computations.All simulations were performed for a 7×7graphene supercell,which includes 98carbon atoms.The Brillouin zone was sampled with 2×2×1k points.The transition states were located through the synchronous method with conjugated gradient re?nements.49This method involves linear synchronous transit (LST)maxi-mization,followed by repeated conjugated gradient (CG)minimizations,and then quadratic synchronous transit (QST)maximizations and repeated CG minimizations until a transition state is located.

3.Results and Discussion

3.1.Searching for Fe-Embedded Graphene with High

Diffusion Barrier.We started our study by investigating the adsorption of one Fe atom on pristine graphene.Here the Fe adsorption energy is de?ned as E ad (Fe))E tot (graphene -Fe)-E tot (graphene)-E tot (Fe),where E tot (graphene -Fe),E tot -(graphene),and E tot (Fe)are the total energies of one Fe atom embedded graphene,the graphene layer,and the free Fe atom in its ground state (quintet),respectively.Among the representa-tive adsorption sites,including the hollow site (H)above the center of the hexagon,the bridge site (B)over a C -C bond,and the top site (T)directly above one C atom,the Fe atom prefers the H-site with an adsorption energy of 0.98eV (Figure 1a).There is about 0.27|e |charge transfer from the Fe atom to graphene according to the Mulliken charge population analysis,and the whole system has a 2.07μB magnetic moment,which is less than that of the free Fe atom (4μB ).The above results agree well with the previous report by Santos et al.41However,being aware of the possible clustering problem of metal atoms on supports,a typical bottleneck for many proposed hydrogen storage materials,50we carefully computed the energy barrier for Fe diffusion on graphene from one H-site to its neighboring

one (Supporting Information,Figure S1).The rather small diffusion barrier (0.66eV)indicates that the Fe adatom can easily diffuse on pristine graphene;thus the clustering problem arises.The small diffusion barrier may come from the uniform charge distribution on pristine graphene.Therefore,pristine graphene is not the ideal substrate for the Fe adatom to develop stable catalysts.

To conquer this bottleneck,we carved a vacancy on graphene,and then put one Fe atom on the top of the vacancy site (Figure 1b).Carbon vacancies or dangling bonds of carbon atoms can improve the stability of supported metal clusters or atoms on graphene,and tune the electronic structure of the corresponding clusters or atoms.Note that experimentally the existence of a vacancy was con?rmed in graphene,18and the metal atom embedded graphene structures have been realized.51When an Fe atom is placed above a vacancy in graphene,it moves outward the plane of graphene after geometry https://www.360docs.net/doc/0f8084630.html,pared with the case of Fe-embedded pristine graphene (0.27|e |),Fe atom at the graphene vacancy site carries more positive charge (0.42|e |),and the whole system is nonmagnetic,which indicates a much stronger interaction between the Fe atom and the vacancy in graphene.Indeed,our computations showed that Fe forms strong covalent bonds with carbon atoms around the vacancy (Figure 1b).The dramatically enhanced adsorption energy (-7.87eV)is quite close to that reported by Krash-eninnikov et al.44The diffusion of Fe on graphene from the vacancy site to its neighboring H-site is endothermic by 5.71eV,and the computed energy barrier (6.78eV)is much higher than that vigorously excludes the To gain deeper insight into the signi?cant enhancement of Fe adsorption at the graphene vacancy site,we plotted the total density of states (TDOS)and projected density of states (PDOS)for graphene with a vacancy and an Fe adatom at the graphene vacancy site.The DOS of graphene with a vacancy is character-ized with a sharp peak at the Fermi level (Figure 2a),which is obviously different from the case of pristine graphene:the DOS at the Fermi level is nearly zero.The PDOS analysis reveals that this shark peak mainly originates from the states of carbon atoms around the vacancy site.Clearly,the dangling-bond states of the undercoordinated carbon atoms around the vacancy give rise to the sharp peak.However,in the DOS of Fe-embedded graphene (Figure 2b),the peak at the Fermi level disappears,and strong hybridization between 3d states of Fe and 2p states of graphene can be observed both above and below the Fermi level.This indicates that the Fe atom can use its valence electrons to saturate the dangling-bond states of the vacancy in graphene.Moreover,the strong hybridization ful?lls the non-bonding 3d orbitals of Fe and eliminates its magnetism.

3.2.Adsorption of CO and O 2on Fe-Embedded Graphene.We computed the interactions of O 2and CO with Fe-embedded graphene,respectively.For O 2adsorption on Fe-embedded graphene,the most energetically favorable con?guration (Figure 3a)is characterized by O 2parallel to the graphene surface forming two chemical bonds with Fe atom (side-on),and the adsorption energy is -1.65eV,which is 0.25eV more favorable than that of the end-on con?guration.In comparison,O 2usually adopts the end-on pattern on Au clusters.7There is about 0.4|e |charge transfer from Fe-embedded graphene to O 2,which could occupy the antibonding 2π*orbitals of O 2and subsequently lead to the elongation of the O -O bond from 1.21to 1.39?,a typical value of peroxo species.52The strong hybridization between 3d states of Fe and 2p states of O 2can be clearly seen from the computed DOS (Figure 2c).Note that the O 2molecule

Figure 1.Typical atomic con?gurations for Fe adsorption on (a)the top of hexagonal site of pristine graphene,and (b)the vacancy site of graphene.The green and purple balls denote carbon and iron atoms,respectively.

CO Catalytic Oxidation on Fe-Embedded Graphene J.Phys.Chem.C,Vol.114,No.14,20106251

dissociates with a O-O distance up to2.99?when interacting with a neutral Fe atom.However,when the Fe atom is constrained at the graphene vacancy,the dissociation pattern is not energetically favorable.

The end-on con?guration(Figure3b)is the lowest energy form for CO adsorbed on Fe-embedded graphene.The C-O bond length is nearly unchanged upon the adsorption.The computed CO adsorption energy(-1.38eV)is also signi?cant, but it is0.27eV less favorable than the case of O2adsorption.

The above results reveal that Fe-embedded graphene has strong interactions with O2and CO,but O2has even more favorable binding energies.Thus,we can expect that the Fe atoms at the graphene vacancy sites will be dominantly covered by the adsorbed O2molecules if CO/O2mixture is injected as the reaction gas,and consequently CO will react with O2on Fe-embedded graphene.The adsorbed O2is ef?ciently activated, which holds promise for further oxidation of CO.

3.3.Mechanisms for the Reaction between the Adsorbed O2and CO.Generally,there are two well-established mech-anisms for the reaction of O2with CO,namely the Langmuir-Hinshelwood(LH)mechanism and the Eley-Rideal(ER) mechanism.The LH mechanism involves the coadsorption of O

2

and CO molecules before reaction,the formation of an

intermediate state and desorption of CO2molecule.In the ER

mechanism,the reactant CO molecules approach the already

activated O2.In our study,both mechanisms were investigated

comparably.

Langmuir-Hinshelwood(LH)Mechanism.Several coad-

sorption con?gurations via the LH mechanism(Supporting

Information,Figure S2)were tested.Initially,O2and CO

molecules were put at rather close sites.However,no CO2or

O-O-CO intermediate state formation was found after full

geometry optimizations.This indicates that the reaction process

of CO oxidation on Fe-embedded graphene via the LH mech-

anism is almost impossible or proceeds with great dif?culty.

This conclusion is further enhanced when we consider the more

favorable O2binding energies.Similarly,Nigam and Majumder

argued that CO oxidation on Fe clusters encapsulated with BN

cage cannot be initiated via the LH mechanism.40Therefore,in

the following steps we emphasize the ER mechanism.

Eley-Rideal(ER)Mechanism.The atomic con?gurations

at various states along the reaction path are displayed in Figure

4,and the corresponding energy pro?les are summarized in

Figure5.

https://www.360docs.net/doc/0f8084630.html,puted total density of states(TDOS)and projected

density of states(PDOS)for(a)graphene with a vacancy,(b)Fe adatom

at the vacancy site of graphene,and(c)O2adsorption on Fe-embedded

graphene.

Figure3.Optimized structures of(a)O2and(b)CO adsorption on

Fe-embedded graphene.Oxygen atoms are denoted with red balls.Bond

lengths are given in angstroms.

Figure4.Atomic con?gurations of the initial state(IS),transition state

(TS),intermediate state(MS),and?nal state(FS)for CO oxidation on

Fe-embedded graphene.

6252J.Phys.Chem.C,Vol.114,No.14,2010Li et al.

The con?guration

physisorbed above O 2preadsorbed on the Fe-embedded graphene was selected as the initial state (IS).When one CO molecule approaches the activated O 2,CO can be inserted into the O -O bond to form a carbonate-like intermediate state CO 3(MS1)on Fe adatom,where the O -O distance is further elongated to 2.15?.This is quite similar to the reaction of CO with O 2on Au.2-7The process of CO insertion into the O -O bond is exothermic by 3.73eV,but it is not barrier free,and a 0.58eV energy barrier (TS1)should be overcome (Figure 5)due to the breaking of the O -O bond and the formation of new C -O bonds.

The reaction can proceed following two paths from MS1.In the ?rst path,the CO 2molecule in MS1experiences an endothermic dissociation (by 0.38eV)to form the residual intermediate state (MS2)crossing a relatively high energy barrier of 0.88eV (TS2),followed by the step that the O atom bound with Fe atom in MS2reacts with a second CO molecule to produce CO 2(FS1).Although the step from MS2to FS1is exothermic by 2.01eV,it has an even higher energy barrier of 1.11eV (TS3),which could be attributed to the strong binding between Fe and O (-4.99eV).The produced CO 2molecule is bound to Fe via an O atom with a -0.42eV adsorption energy,which can be easily overcome by the energy released in this process,thus facilitating its desorption.

The second reaction path involves the process that MS1reacts with another CO molecule to produce two CO 2molecules (FS2)with a energy barrier of 0.57eV (TS4).Both of the produced CO 2molecules in FS2are bound to Fe with O atoms with the average adsorption energy of -0.23eV/CO 2.Since the energy released in this step (1.68eV)can suf?ciently surmount the adsorption energy,the desorption of these two CO 2molecules from FS2would be rather ?exible.Overall,the second path is more thermally favorable and has a more modest energy barrier,and it should be more preferred under experimental conditions.4.Conclusion

In summary,we performed ?rst-principles computations to investigate the reaction of carbon monoxide with oxygen on Fe embedded in graphene,aiming to explore the catalytic activity of graphene -metal systems.Vacancies in graphene can ef?ciently enhance the Fe adsorption and result in a 6.78eV diffusion barrier.Due to the strong hybridization between 3d states of Fe and the 2p state of O 2,O 2can be ef?ciently activated by Fe adatom,and then CO can be inserted into the elongated O -O bond to form a carbonate-like intermediate state CO 3with a moderate energy barrier (0.58eV)via the Eley -Rideal mechanism.Then,CO 3reacts with another CO to produce two CO 2molecules also with a rather modest energy barrier (0.57

eV).Our results demonstrate that Fe-embedded graphene has good catalytic activity for CO oxidation.We hope that this study will promote further experimental and theoretical efforts to design novel catalysts based on metal -graphene systems.Acknowledgment.Support in China by NSFC (20873067)and NCET,and in the United States by NSF Grant CHE-0716718,the Institute for Functional Nanomaterials (NSF Grant 0701525),the U.S.Environmental Protection Agency (EPA Grant RD-83385601),and in part by the National Science Foundation through TeraGrid resources,is gratefully acknowl-edged.G.T.Yu thanks the startup fund (450080011085)from Jilin University.

Supporting Information Available:Energy pro?les for Fe diffusion on pristine graphene,and optimized structures of coadsorbed O 2and CO molecules on Fe-embedded graphene.This material is available free of charge via the Internet at https://www.360docs.net/doc/0f8084630.html,.

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Figure 5.Energy pro?les for CO oxidation over Fe on defective graphene.On the basis of MS1,two reaction paths are denoted with red and green dotted lines,respectively.The numbers in parentheses are relative energies referred to the reactants in electronvolts.

CO Catalytic Oxidation on Fe-Embedded Graphene J.Phys.Chem.C,Vol.114,No.14,20106253

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(50)(a)Sun,Q.;Wang,Q.;Jena,P.;Kawazoe,Y.J.Am.Chem.Soc. 2005,127,14582.(b)Durgun,E.;Ciraci,S.;Zhou,W.;Yildirim,T.Phys. Re V.Lett.2006,97,226102.(c)Li,S.;Jena,P.Phys.Re V.Lett.2006,97, 209601.(d)Yang,S.Y.;Yoon,M.N.;Wang,E.;Zhang,Z.Y.J.Chem. Phys.2008,129,134707.(e)Krasnov,P.O.;Ding,F.;Singh,A.K.; Yakobson,B.I.J.Phys.Chem.C2007,111,17977.(f)Li,M.;Li,Y.F.; Zhou,Z.;Shen,P.W.;Chen,Z.F.Nano Lett.2009,9,1944.

(51)Gan,Y.;Sun,L.;Banhart,F.Small2008,4,587.

(52)Gutsev,G.L.;Rao,B.K.;Jena,P.J.Phys.Chem.A2000,104, 11961.

JP911535V

6254J.Phys.Chem.C,Vol.114,No.14,2010Li et al.

氧化石墨烯的结构及应用

氧化石墨烯的结构及应用 2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈?海姆(Andre Geim)和康斯坦丁?诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)成功地从石墨中分离出一层碳原子构成的石墨烯,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。自此,石墨烯由于其突出的导热性、室温高速载流子迁移率、透光性和力学性能等,同时具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应、从不消失的电导率等一系列性质,受到了世界各界的广泛关注,也成为科研领域的新兴宠儿。 氧化石墨烯是石墨粉末经化学氧化后的产物,它是一种性能优异的新型碳材料,具有较高的比表面积和表面丰富的官能团。氧化石墨烯复合材料包括聚合物类复合材料以及无机物类复合材料更是具有广泛的应用前景,因为成为研究的又一重点。 一、氧化石墨烯的分子结构 石墨被强氧化剂氧化,氧原子进入到石墨层间,结合л电子,使层面内的二键断裂,并以C=O,C-OH, -COOH等官能团与密实的碳网面中的碳原子结合,形成共价键型石墨层间化合物。氧化石墨烯的理想结构组成为C400H,也有文献报道其组成为C X+(OH)Y-(H20)2,其中C、H、O等各元素的含量随氧化程度不同而发生改变,一般范围为C7O4H2-C24O13H9,目前,普遍认为氧化石墨是一个准二维固体物质。氧化石墨烯由尺寸不定的未被氧化的芳香“岛”组成,而这些“岛”则被含有醇羟基、环氧基团和双键的六元脂环所分开,芳香环、双键和环氧基团使得碳原子点阵格式近乎处于同一平面,仅有连接到羟基基团的碳原子有较轻微的四面体构型畸变,导致了一些层面的卷翘。官能团处于碳原子点阵格子的上下,形成了不同密度的氧原子分布。 干燥的氧化石墨在空气中稳定性较差,很容易吸潮而变成水合氧化石墨,层间距也会随其含水量的高低而有所不同。随含水量的增加,层间距从0.6nm增加到1.1nm,从而导致X射线(100)衍射峰的位置的变化。 鉴于氧化石墨烯在石墨烯材料领域中的地位,许多科学家试图对氧化石墨烯的结构进行详细和准确的描述,以便有利于石墨烯材料的进一步研究,虽然已经利用了计算机模拟、拉曼光谱,核磁共振等手段对其结构进行分析,但由于种种原因(不同的制备方法,实验条件的差异以及不同的石墨来源对氧化石墨烯的结构都有一定的影响),氧化石墨烯的精确结构还无法得到确定。 二、氧化石墨烯的制备方法 氧化石墨烯的制备方法主要有Brodie、Staudenmaier和Hummers三种方法,它们都是用无机强质子酸(如浓硫酸、发烟硝酸或它们的混合物)处理原始石墨,将强酸小分子插入石墨层问,再用强氧化剂(如KMnO4、KC104等)对其进行氧化。 1、Brodie法 1898年Brodie采用发烟HNO3体系,以KC103为氧化剂,反应体系的温度需先维持在0℃,然后,不断搅拌反应20-24h。洗涤后获得的氧化石墨的氧化程度较低,需进行多次氧化处理以提高氧化程度,反应时间相对较长。该法的优点是其氧化程度可利用氧化时间进行控制,合成的氧化石墨结构比较规整。但因采用KC103作氧化剂,有一定的危险性。

石墨烯及石墨烯光催化复合材料简介

石墨烯及石墨烯光催化复合材料简介 1.1 前言 碳材料是地球上最普遍也是一类具有无限发展前景的材料,从无定形的碳黑到晶体结构的天然层状石墨;从零维纳米结构的富勒烯到二维结构的石墨烯,近几十年来,碳纳米材料一直备受关注。而三维网状结构的石墨烯自组装水凝胶的发现[1],不仅极大地充实了碳材料家族,为新材料和凝聚态领域提供了新的增长点,而且由于其所具有的特殊纳米结构和性能,使得石墨烯无论是在理论上还是实验研究方面都已展现出了重大的科学意义和应用价值.从而为碳基材料的研究提供了新的目标和方向。 从石墨发现至今,关于石墨烯的研究已经铺满各种期刊杂志,此外,人们对石墨烯衍生物也进行了深入研究,如氧化石墨烯、石墨烯纳米带、石墨烷、磁性石墨烯衍生物等。其中对氧化石墨烯和石墨烯纳米带的研究更为深入。氧化石墨烯是单一的碳原子层,可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米,因此,其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料,具有聚合物、胶体、薄膜,以及两性分子的特性。由于它在水中具有优越的分散性,长久以来被视为亲水性物质,然而,相关实验结果显示,氧化石墨烯实际上具有两亲性,从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此,氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面,并降低界面间的能量。根据不同的碳取材来源和不同的结构,石墨烯纳米带有不同的特性,有些有金属的性质,有的具有半导体性能,从而也使得石墨烯纳米带成为未来半导体候选材料。此外,在挖掘石墨烯潜在的性能和应用方面,石墨烯的复合材料也受到了极大的关注,并且这类复合材料已在生物医学、能量储存、液晶器件、传感材料、电子器件、催化剂等领域显示出了优异的性能和潜在的应用。 总之,不断发现新的性质、衍生物、复合材料以及功能器件,极大地丰富了石墨烯的研究方向、开拓了人们的视野、拓展了石墨烯的应用领域,使得基于石墨烯的材料成为了一个充满魅力与无限可能的研究对象。

石墨烯在催化方面的应用

石墨烯在催化方面的应用 1、石墨烯纳米光催化复合材料的研究 纳米材料被认为是“二十一世纪最有前途的材料”。石墨烯是一种由单层碳原子紧密排列成的二维蜂窝状晶格结构的纳米材料,由于它具有特殊的纳米结构以及优异的性能,石墨烯的复合材料已在电子学、光学、磁学、生物医学、催化等诸多领域显示出了巨大的应用潜能。光催化技术具有工艺简单,能耗低,操作条件容易控制和降解彻底的特点,被认为是具有良好发展前景的环保新技术。以光催化剂/石墨烯纳米复合材料为研究对象,通过不同的复合工艺,制备了三种石墨烯纳米复合材料。 1)以天然鳞片石墨为原料,采用Hummers法制备氧化石墨,并用热剥离成石墨烯,或者利用超声波分散剥离为氧化石墨烯,再化学还原成石墨烯。 2)二氧化钛/石墨烯纳米复合材料,二氧化钛和石墨烯复合效果较好。 3)以氧化石墨烯为基体,醋酸锌为锌源,采用溶胶法制备了氧化锌/石墨烯纳米复合材料。 研究发现了石墨烯的光催化性能,结果表明石墨烯/氧化锌有较高的催化效率,可以测定复合材料的荧光效应。 2、石墨烯负载Pt催化剂的催化氧化发光性能 Pt纳米颗粒可以很好地分散在石墨烯表面,因此合成了石墨

烯负载Pt纳米颗粒的Pt/石墨烯催化剂.并有较快的催化反应速率,Pt颗粒越小催化发光强度越大。当不同Pt负载量(0.4%-1.6%(w,质量分数)的催化剂作用于40%(φ,体积分数)以下浓度的CO/空气体系时,产生的催化发光强度均与CO浓度成正比。该催化剂在一定条件下,不但对CO氧化有较好的催化发光性能,还对乙醚、无水甲醇和甲苯有不同程度的催化氧化发光活性;但二氧化碳、甲醛、戊二醛、丙酮、乙酸乙酯、三氯甲烷、水蒸气均无响应信号。 3、与传统的Pd/Vulcan XC-72相比,Pd/石墨烯催化剂对碱性介质中乙醇电氧化的催化活性有了极大的提高,石墨烯-SnO2复合物(SnO2-GNS)可以负载高分散的Pd作为纳米颗粒催化剂,电化学测试表明,与Pd/石墨烯(Pd/GNS)相比,Pd/SnO2-GNS 催化剂对乙醇电氧化的催化活性有了很大的提高。当加入的前驱盐SnCl2·2H2O与氧化石墨的质量比为1:2时,Pd/SnO2-GNS催化剂获得最好的催化活性。 4、用石墨烯(G)代替Vulcan XC-72炭(XC)作Ir的载体制备石墨烯载Ir(Ir/G)催化剂.电化学的测量结果表明,Ir/G催化剂对氨氧化的电催化性能优于XC炭载Ir(Ir/XC)催化剂。 5、利用溶胶-凝胶法原位制备了二氧化钛/石墨烯(TiO2-GE)复合光催化剂,研究了纯TiO2以及不同方法制备的TiO2-GE复合光催化剂对亚甲基蓝及罗丹明B光催化降解性能.结果表明:石墨烯的引入提高了TiO2的光催活性,这主要是得益于石墨烯优

纳米石墨烯的特性以及应用

纳米石墨烯的特性以及应用 摘要:石墨烯是指从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。在石墨烯中,碳原子之间以σ键相连接,这些σ键赋予了石墨烯极其强大的机械性能;同时,由于碳原子的结合方式为SP2杂化,因此每个碳原子都有一个孤电子,从而赋予了其优秀的导电性。而近年来,纳米石墨烯以及其氧化物,由于自身良好的生物相容性以及较大的表面积,在生物医药等领域的应用取得了极大的进展,本文将简述石墨烯以及其氧化物的特性,并举例分析其在生物载药工厂中的作用。 关键词:纳米石墨烯;纳米氧化石墨烯;生物医药;药物传递 一.纳米石墨烯以及氧化纳米石墨烯自身特性 1.1 纳米石墨烯自身特性 纳米石墨烯与石墨烯的概念容易混淆,但本质上是同一个物质。纳米石墨烯代表的是厚度在纳米级别的石墨烯。一般程度上严格定义的石墨烯都是单层的,而纳米石墨烯则有可能是多层的。纳米石墨烯常常被称为石墨烯纳米片,也被称为碳纳米片( CNFs )或碳纳米壁( CNWs)。人们所熟悉的富勒烯,碳纳米管,石墨等碳材料,本质的基础单元就是石墨烯。 石墨烯最迷人的地方在于它的纯粹。单层原子的结构使得石墨烯具有极薄的性质,但由于碳原子之间强韧的σ键以及整个二维晶体平面的拉伸性能,使得石墨烯同时具有了非常高的强度性能,杨氏模量为1100Gpa,而断裂强度则达到惊人的125Gpa,这样的机械性能使得石墨烯几乎可以被利用在任何需要高强度材料的领域。 而与此同时,石墨烯二维晶体表面流动的孤电子赋予了它优越的导电性能。由于自身电阻率非常小,石墨烯被视为下一个可以取代“硅”的导电原材料,人们希望能制备出具有更高性能的现代计算机芯片或处理器。 1.2 氧化纳米石墨烯自身特性 氧化纳米石墨烯,英文缩写为GO,顾名思义是石墨烯的氧化物。氧化石墨烯保留了原有的层状结构,通过强氧化剂(例如高锰酸钾)开环,使得部分双键断裂,引入了许多含氧的官能团,例如羧基,羟基,环氧基等。这些活泼的含氧功能团赋予了石墨烯更为活泼的性能。

石墨烯基光催化剂在能源转化方面的应用-

文章编号:1001-9731(2016)07-07034-04 石墨烯基光催化剂在能源转化方面的应用? 董倩,伍水生,马博凯,王亚明 (昆明理工大学化学工程学院,昆明650504) 摘要:石墨烯半导体复合纳米材料被视为一种最有潜力的光催化剂,由于其独特的物理化学性质在太阳能转化为化学能领域十分引人注目.石墨烯基光催化剂活性的增强机理包括光生电子-空穴对复合的减少,光吸收范围的扩大和光吸收强度的增强,表面活性位点的增加以及光催化剂化学稳定性的改善.综述石墨烯基光催化剂在能源转化如光催化分解水和CO2的光催化还原成碳氢化合物的应用并且简要分析了其活性增强的机理.关键词:石墨烯基纳米材料;光催化;光解水;能源转化 中图分类号: O611.4文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.007 0 引言 石墨烯,由s p2杂化碳原子组成的单层二维纳米片,是一种零带隙半导体.自从2004年通过简单的机械剥离得到石墨烯之后[1],发现它具有优异的物理化学性质如高柔性结构[2],大表面积(2630m2/g)[3],高导电性和导热性(约5000W/(m K))[4].由于这些独特的特性,导致了研究者对石墨烯的关注,并进一步探讨它在材料科学领域的潜能.石墨烯以及它的衍生物的合成方法大致包括两类: to p-down 和 bottom-u p . to p-down 的外延生长方法一般包括化学气相沉积法[5-9]和有机合成法[10-12],它不仅能够制造大尺寸和高品质的石墨烯同时也可调整其形态与结构[13-15]. bottom-u p 生长的石墨烯包括机械剥离石墨[1]二石墨电化学膨胀[16]以及由石墨烯氧化物(GO)还原的石墨烯,虽然石墨烯来自还原氧化石墨烯不可避免地引入了含氧基团和缺陷,但这是具有大规模二低成本制备石墨烯的简单策略[17]. 利用石墨烯的导电性能好和高比表面积,将它与半导体复合构成新型复合光催化剂一方面可以提高光生电子迁移率使光生电子-空穴对易于分离,从而加速光催化反应.另一方面大比表面积的石墨烯有助于提高污染物分子在催化剂表面的吸附能力[18-20].这里,我们重点评述了最近有关石墨烯光催化剂在能源转化方面的的研究.首先介绍了石墨烯复合材料在能源转化方面如光催化分解水和光催化还原CO2的应用,然后简要说明了石墨烯复合材料光催化活性增强的基本原理.1石墨烯基光催化剂在能源转化方面的应用1.1光催化分解水 吸收太阳能来分解水是生产H2和O2最洁净的的方法之一,太阳能分解水制备H2对开发无碳燃料和可持续能源系统是一种有前途的解决方案.然而这种技术的实际应用受限于无法利用可见光,量子效率低,和/或催化剂的光降解[21].考虑到石墨烯良好的导电率和高比表面积,石墨烯作为有效的电子受体以提高光生电荷转移以及通过分离氢氧的析出位点来抑制逆向反应从而提高光催化产生H2活性(图1所示). 图1光解水在作为电子受体的石墨烯的不同位点选择性催化示意图 Fi g1Schematic illustration of selective catal y sis of water s p littin g at different sites on g ra p hene used as a conductin g su pp ort 溶胶-凝胶法合成的TiO2-5%(质量分数)g ra p hene 复合材料在紫外照射下H2的析出量(4.5μmol/h)比P25高出2倍,可能是引入石墨烯降低了光生电子-空穴对的复合[22-23].通过水热法制备的P25-RGO具有更好的性能(P25/RGO质量比=1/0.2,H2:74μmol/h),水热反应导致P25和石墨烯之间产生强相互作用,显示出比P25(H2:6.8μmol/h)更高的活性[24-25].理论计算揭示了锐钛矿型TiO2的{001}面为具有最高表面能反应面,催化结果显示紫外照射下石墨烯-暴露{001}面的改性TiO2纳米片(石墨烯含量 4307 02016年第7期(47)卷 ?基金项目:国家自然科学基金资助项目(21401088);云南省应用研究基础资助项目(KKSY201205025);昆明理工大学分析测试基金资助项目(20150357,20150320) 收到初稿日期:2015-05-26收到修改稿日期:2015-08-06通讯作者:伍水生,E-mail:wuss2005@126.com 作者简介:董倩(1990-),女,陕西宝鸡人,在读硕士,师承伍水生副教授,从事石墨烯纳米材料研究.

水热合成Fe2O3石墨烯纳米复合材料及其电化学性能研究

常熟理工学院学报(自然科学)Journal of Changshu Institute Technology (Natural Sciences )第26卷第10Vol.26No.102012年10月Oct.,2012 收稿日期:2012-09-05 作者简介:季红梅(1982—),女,江苏启东人,讲师,工学硕士,研究方向:无机功能材料.水热合成Fe 2O 3/石墨烯纳米 复合材料及其电化学性能研究 季红梅1,于湧涛2,王露1,王静1,杨刚1 (1.常熟理工学院化学与材料工程学院,江苏常熟215500;2.吉林石化公司研究院,吉林吉林132021) 摘要:利用水热法成功合成了Fe 2O 3/石墨烯(RGO )锂离子电池负极材料.导电性能良好的石墨烯网络起到连接导电性能极差的Fe 2O 3和集流体的作用.电化学性能测试表明,180℃下得到的 Fe 2O 3/RGO 具有良好的比容量和循环稳定性.在不同倍率充放电过程中,初始放电比容量为1023.6mAh/g (电流密度为40mA/g ),电流密度增加到800mA/g 时,放电比容量维持在406.6 mAh/g ,大于石墨的理论放电比容量~372mAh/g.在其他较高的电流密度下比容量均保持基本不变.该Fe 2O 3/RGO 有望成为高容量、低成本、低毒性的新一代锂离子电池负极材料.关键词:Fe 2O 3;石墨烯;负极材料中图分类号:TM911文献标识码:A 文章编号:1008-2794(2012)10-0055-05 自从P.Poizot [1]等报道过渡金属氧化物可以作为锂离子电池负极材料这一研究后,金属氧化物负极便逐渐引起人们的重视.铁的氧化物具有比容量大、倍率性能好和安全性能高等优点,且原料来源丰富、价格低廉、环境友好,因此是一类很有发展潜力的动力锂离子电池负极材料.Fe 2O 3作为一种常温下最稳定的铁氧化合物,理论容量为1005mAh/g ,远高于石墨类材料的理论比容量,已经成为锂离子电池负极材料的一个研究热点.近年来,石墨烯由于其高的电传导性,大的比表面积,良好的化学稳定性和柔韧性而被尝试用于与活性锂离子电池负极材料复合,提升材料的电化学性能.比如,Cui Y [2]课题组在溶剂热条件下两步法得到Mn 3O 4与石墨烯的复合材料,改善了Mn 3O 4的比容量和循环性能.Co 3O 4,Fe 3O 4等金属氧化物材料与石墨烯复合也有被研究,本课题组在石墨烯和金属氧化物材料复合方面也做了大量的工作[3].本文通过水热法一步合成Fe 2O 3/石墨烯纳米复合材料,并研究了其电化学性能,合成过程中采用三乙烯二胺提供反应的碱性环境,并控制Fe 2O 3的粒子生长.1 实验 1.1试剂和仪器 三乙烯二胺(C 6H 12N 2);无水三氯化铁(FeCl 3);石墨;硝酸钠(NaNO 3);浓硫酸(H 2SO 4);高锰酸钾(KMnO 4);双氧水(H 2O 2)和盐酸(HCl ),以上试剂均为分析纯.实验用水为去离子水.日本理学H-600型透射电子显微镜;日本理学D/max2200PC 型X 射线衍射仪;德国Bruker Vector 22红外光谱仪;日本JEOL-2000CX 透射电镜;美国Thermo Scientific Escalab 250Xi 光电子能谱仪;LAND 电池

单层氧化石墨烯哪个厂家好 哪个单层氧化石墨烯厂家好

单层氧化石墨烯哪个厂家好 单层氧化石墨烯哪个厂家好?有哪些?是大家比较关心的问题。单层氧化石墨烯是一 层薄膜,具有良好的水溶性,可溶解在乙醇、DMF等。单层氧化石墨烯溶解在水中的浓度大于2 mg/ml。利用超声波,单层氧化石墨烯极易溶解在极性容剂中。单层氧化石墨烯应用于催化剂、太阳能、石墨烯半导体芯片、导电石墨烯薄膜、透明导电涂料等领域。那单 层氧化石墨烯哪个厂家好?先丰纳米就是不错的选择。下面就由先丰纳米给大家介绍单层 氧化石墨烯的特点。 由于含氧功能团的存在,氧化石墨烯很容易分散在有机溶剂、水、和不同的基体中。 它可与聚合物或陶瓷基体结合,这是一个主要优势,会增强它们的机械和电性能。 对于导电性,氧化石墨烯作为一种电绝缘体,因为干扰了sp2键杂化网络。为恢复石墨烯的蜂窝六角晶格和导电性,还原氧化石墨烯是重要的。 但大量的氧气已被移除后,分散被还原的氧化石墨烯(rGO)并不容易,因为这种材料 会产生聚集。 石墨烯的特性可以通过氧化石墨烯功能化的方法改变。用这种方法获得的化学改性的 石墨烯可使用在许多应用中。根据希望获得的应用,氧化石墨烯可以有多种方法被功能化。 一种可确保化学改变石墨烯在有机溶剂中容易分散的方法是通过有机胺进行共价功能化。这使得材料更适合生产生物设备和光电子产品,并用于药物输送。

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高分子_石墨烯纳米复合材料研究进展

高分子/石墨烯纳米复合材料研究进展 高秋菊1,夏绍灵1,2* ,邹文俊1,彭 进1,曹少魁2 (1.河南工业大学材料科学与工程学院,郑州 450001;2.郑州大学材料科学与工程学院,郑州 450052 )收稿:2012-01-09;修回:2012-04- 24;基金项目:郑州科技攻关项目(0910SGYG23258- 1);作者简介:高秋菊(1984—),女,硕士研究生,主要从事高分子复合材料的研究。E-mail:gaoqiuj u2008@yahoo.com.cn;*通讯联系人,Tel:0371-67758722;E-mail:shaoling _xia@haut.edu.cn. 摘要: 石墨烯以其优异的力学、光学、电学和热学性能,得到日益广泛的关注和研究。本文介绍了石墨烯的结构、性能和特点,并对石墨烯的改性方法进行了概括。本文着重综述了高分子/石墨烯纳米复合材料的研究现状和进展,并介绍了高分子/石墨烯纳米复合材料的三种制备方法,即原位插层聚合法、溶液插层法和熔融插层法。此外,还对高分子/石墨烯纳米复合材料的应用前景进行了展望,并对石墨烯复合材料研究存在的问题和未来的研究方向进行了讨论。 关键词:石墨烯;高分子;纳米复合材料;研究进展 引言 石墨烯是以sp2 杂化连接的碳原子层构成的二维材料, 其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”,被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具 有超高的强度,碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯比钻石还坚硬, 强度比世界上最好的钢铁还高100倍[1] 。石墨烯还具有特殊的电光热特性, 包括室温下高速的电子迁移率、 半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度,被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛 的应用前景[ 2] 。石墨烯是一种疏松物质,在高分子基体中易团聚,而且石墨烯本身不亲油、不亲水,在一定程度上也限制了石墨烯与高分子化合物的复合,尤其是纳米复合。因而,很多学者对石墨烯的改性进行了大量的研究,以提高石墨烯和高分子基体的亲和性,从而得到优异的复合效应。 1 石墨烯的改性方法 1.1 化学改性石墨烯 该方法基于改性Hummers法[3] 。首先,由天然石墨制得石墨氧化物, 再通过几种化学方法获得可溶性石墨烯。其化学方法包括:氧化石墨在稳定介质中的还原[4]、通过羧基酰胺化的共价改性[5] 、还原氧化石墨烯的非共价功能化[ 6]、环氧基的亲核取代[7]、重氮基盐的耦合[8] 等。此外,还出现了对石墨烯的氨基化[9]、酯化[10]、异氰酸酯[11] 改性等。用化学功能化的方法对石墨烯进行改性,不仅可以提高其溶解性 和加工性能,还可以增强有机高分子间的相互作用。1.2 电化学改性石墨烯 利用离子液体对石墨烯进行电化学改性已见报道[12] 。用电化学的方法,使石墨变成用化学改性石 墨烯的胶体悬浮体。石墨棒作为阴极,浸于水和咪唑离子液的相分离混合物中。以10~20V的恒定电 · 78· 第9期 高 分 子 通 报

石墨烯复合材料的研究及其应用

石墨烯复合材料的研究及其应用 任成,王小军,李永祥,王建龙,曹端林 摘要:石墨烯因其独特的结构和性能,成为物理化学和材料学界的研究热点。本文综述了石墨烯复合材料的结构和分类,主要包括石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。并简述石墨烯复合材料在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。 关键词:石墨烯;复合材料;纳米粒子;含能材料 Research and Application of Graphene composites ABSTRACT: Graphene has recently attracted much interest in physics,chemistry and material field due to its unique structure and properties. This paper reviews the structure and classification of graphene composites, mainly inclouding graphene-nanoparticles composites, graphene-polymer composites and graphene-carbonmaterials composites. And resume the application of graphene composites in the field of catalysis, electrochemistry, biological medicine and energetic materials. Keywords: graphene; composites; nanoparticles; energetic materials 石墨烯自2004年曼彻斯特大学Geim[1-3]等成功制备出以来,因其独特的结构和性能,颇受物理化学和材料学界的重视。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体,是包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法,晶体外延法,化学气相沉积法,插层剥离法以及采用氧化石墨烯的高温脱氧和化学还原法等[4-10]。与碳纳米管类似,石墨烯很难作为单一原料生产某种产品,而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合.从而获得具有优异性能的新型复合材料。而氧化石墨烯由于其特殊的性质和结构,使其成为制备石墨烯和石墨烯复合材料的理想前驱体。本文综述了石墨烯复合材料的结构、分类及其在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。

石墨烯纳米材料及其应用

石墨烯纳米材料及其应用

石 墨 烯 纳 米 材 料 及 其 应 用 二〇一七年十二月

目录 摘要 (4) 1引言 (4) 2石墨烯纳米材料介绍 (4) 3石墨烯纳米材料吸附污染物 (6) 3.1金属离子吸附 (6) 3.2有机化合物的吸附 (7) 4石墨烯在膜及脱盐技术上的应用 (9) 4.1石墨烯基膜 (9) 4.2采用石墨烯材料进行膜改进 (10) 4.3石墨烯基膜在脱盐技术的应用 (11) 5展望 (12)

摘要 石墨烯因为其独特的物理化学方面的性质,特别是其拥有较高的比表面积、较高的电导率、较好的机械强度和导热性,使其作为一种新颖的纳米材料赢得了越来越广泛的关注。 关键词:石墨烯;碳材料;环境问题;纳米材料 1引言 随着世界人口的增长,农业和工业生产出现大规模化的趋势。空气,土壤和水生生态系统受到严重的污染;全球气候变暖等环境问题正在成为政治和科学关注的重点。目前全球已经开始了解人类活动对环境的影响,并开发新技术来减轻相关的健康和环境影响。在这些新技术中,纳米技术的发展已经引起了广泛的关注。 纳米材料由于其在纳米级尺寸而具有独特的性质,可用于设计新技术或提高现有工艺的性能。纳米材料在水处理,能源生产和传感方面已经有了诸多应用,越来越多的文献描述了如何使用新型纳米材料来应对重大的环境挑战。 石墨烯引起了诸多研究人员的关注。石墨烯是以sp2杂化连接的碳原子层构成的二维材料,其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”,被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具有超高的强度,碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯还具有特殊的电光热特性,包括室温下高速的电子迁移率、半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度,被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。在环境领域,石墨烯已被应用于新型吸附剂或光催化材料,其作为下一代水处理膜的构件,常用作污染物监测。2石墨烯纳米材料介绍 单层石墨烯属于单原子层紧密堆积的二维晶体结构(Fig.1)。在石墨烯平面内,碳原子以六元环形式周期性排列,每个碳原子通过σ键与临近的三个碳原子

石墨烯的制备及其在光催化材料中的应用

第3期2017年6月 矿产保护与利用 CONSERVATION AND UTILIZATION OF MINERAL RESOURCES №.3 Jun.2017 矿物材料 石墨烯的制备及其在光催化材料中的应用倡 李珍1,2,杨剑波1,2,刘学琴1,2,沈毅1,2,李云国3,张寄丹3 (1.纳米矿物材料及应用教育部工程研究中心,湖北武汉430074;2.中国地质大学材料与化学学院,湖北武汉430074;3.黑龙江省第六地质勘察院,黑龙江佳木斯154000) 摘 要:以黑龙江鸡西柳毛鳞片石墨为原料制备石墨烯,重点探讨了氧化剂配比、氧化时间对氧化石墨结构 的影响,表征了氧化石墨、氧化石墨烯与石墨烯的晶体结构与形貌特征。并将石墨烯与氧化锌纳米棒阵列 (RGO/ZNRs)复合,研究了石墨烯浓度对石墨烯/氧化锌纳米棒阵列复合材料光催化降解性能的影响,分析 了复合材料的光降解机制。结果表明:鸡西柳毛天然鳞片石墨成功制备成单层或少层还原氧化石墨烯片,厚 度为1.1~1.3nm。石墨烯的引入有效增强了RGO/ZNRs复合材料光催化降解性能。当石墨烯浓度为2 mg/mL时,RGO/ZNRs复合材料中石墨烯的含量达到最优值,光催化性能最佳。 关键词:石墨;石墨烯;RGO/ZNRs复合材料;光催化降解 中图分类号:TB383 文献标识码:B 文章编号:1001-0076(2017)03-0084-06 DOI:10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2017.03.016 Preparation of Graphene and Its Application in Photocatalytic Materials LI Zhen1,2,YANG Jianbo1,2,LIU Xueqin1,2,SHEN Yi1,2,LI Yunguo3,ZHANG Jidan3(1.Engineering Research Center of Nano-geomaterials of Ministry of Educationm,Wuhan430074,Chi-na;2.Faculty of Materials Science and Chemistry,China University of Geosciences,Wuhan430074,Chi-na;3.The Six Institute of Geology Exploration of Heilongjiang Province,Jamusi154000,China)Abstract:GraphenehadbeenfabricatedusingHeilongjiangJixiLiumaoflakegraphiteasrawmate- rials.Theeffectsofoxidantratio,oxidationtimeoncrystalstructuresandmorphologyfeaturesof graphiteoxide,grapheneoxideandgraphenehadbeencharacterizedandanalyzed,respectively. TheeffectofKMnO4dosageonthequalityofgraphitewasdiscussedindetail.Thenwecombined ZnOnanorodarrays(RGO/ZNRs)withthegraphene,andtheeffectsofgrapheneconcentrationon thephotocatalyticdegradationpropertiesofRGO/ZNRshadbeenstudied.Additionally,thephoto- degradationmechanismofthecompositeshadbeeninvestigated.itturnsoutthatthefabricatedgra- pheneexhibitedoneorseverallayersforthelessthickness(1.1-1.3nm).TheRGO/ZNRsdis- playedanenhancedphotocatalyticdegradationpropertyduetotheintroducingofgraphene.Final- ly,whentheconcentrationofgrapheneis2mg/mL,thecompositesgaintheoptimalphotocatalytic performance. Key words:graphite;graphene;RGO/ZNRscomposite;photocatalyticdegradation 石墨在电气工业、化学工业、冶金铸造、核工业、航天工业等诸多领域中都有广泛的应用。随着石墨 倡收稿日期:2017-04-12 基金项目:黑龙江国土资源厅项目(201602) 作者简介:李珍(1963-),女,山西临汾人,博士,教授,主要从事矿物材料功能化研究。 万方数据

石墨烯及其纳米复合材料发展.

河北工业大学 材料科学与工程学院 石墨烯及其纳米复合材料发展概况 专业金属材料 班级材料116 学号111899 姓名李浩槊 2015年01月05日

摘要 自从2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,石墨烯因其优异的力学、电学和热学性能已经成为备受瞩目的研究热点。 石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同,是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;导热系数高达5300 W/(m·K),高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000 cm2 /(V·s),又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约10-6Ω·cm,比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低,电子跑的速度极快,因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体,也适合用来制造透明触控屏幕、光板,甚至是太阳能电池。 石墨烯的结构非常稳定,石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧,当施加外力于石墨烯时,碳原子面会弯曲变形,使得碳原子不必重新排列来适应外力,从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。 但是,因为石墨烯片层之间存在很强的范德华力,导致其很容易堆积团聚,在一般溶剂中的分散性很差,所以其应用领域受到了限制。本文通过收集、查阅多篇有关石墨烯研究的论文,分析、整理了石墨烯及其纳米复合材料的制备技术发展及其应用的相关知识、理论。 关键词:石墨烯纳米材料制备复合材料

氧化石墨烯与金属纳米粒子复合材料的制备与应用进展研究

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/0f8084630.html, 氧化石墨烯与金属纳米粒子复合材料的制备与应用进展研究 作者:韩春淼李冰王蕙尧 来源:《科学与信息化》2018年第21期 摘要论文对氧化石墨烯与金属纳米粒子复合材料的制备及其性质和应用进行了详细的综述。 关键词氧化石墨烯;金属纳米粒子;性质和应用 前言 石墨烯材料优异的电学,力学(极好的柔性)性质已经使其在柔性透明导电材料领域崭露头角,成为新一代最有潜力的透明电极的候选材料。目前机械剥离法制备的石墨烯电子迁移率高达40,000 cm2 V-1 s-1,远远高于TCO薄膜材料的迁移率(10-40 cm2 V-1 s-1),它的一个优点就是,在具有同样电导率的情况下石墨烯薄膜的载流子浓度较低,可以摆脱传统的TCO 薄膜由于高载流子浓度所引起的问题,提高其在可见区尤其是红外区域的透过率。理想的石墨烯薄膜在可见区以及红外区域的透过率高达97.7%。同时,石墨烯具有较好的热稳定性、化学稳定性,P型导电以及低温稳定的电导率。另外,石墨烯在紫外区也有较高的透过率。以上的诸多优点使得石墨烯有望成为ITO的替代品,应用于柔性电子学领域。 由于氧化石墨烯具有较好的水溶性、高比表面积、表面含有大量的亲水氧化官能团等特点,使其在制备复合材料方面具有巨大的优势。因氧化石墨烯和金属纳米粒子的复合,在光催化、电化学、生物检测、热敏材料、透明导电等领域具有广泛应用而受到关注。本文将针对氧化石墨烯与金属复合材料的制备方法及其性质与应用展开一系列的综述。 1 氧化石墨烯与金属复合材料的制备方法 1.1 水相法 在氧化石墨烯与金属粒子复合材料的制备过程中,水相法是最常见的方法。工作组在利用GO的碱溶液制备其与Li粒子的复合材料时就采用了这种方法。水相法不仅可以将钯纳米粒子复合至氧化石墨烯上,金、银、铂等,也可以在水相环境下修饰到其片层结构上[1]。 1.2 有机相法 有机相法同样也是制备氧化石墨烯与金属纳米粒子复合材料的常用方法。在混合有机体系中,可以采用微波辐照的方法将银、铜的纳米粒子沉积到氧化石墨烯的片层结构上。

石墨烯的制备、表征及石墨烯氧化锌光催化剂的制备与性能研究

摘要 石墨烯的制备、表征及石墨烯/氧化锌光催化剂的制备与性能研究 石墨烯(Graphene,GR)自从2004年被发现以来,因其理想的二维晶体结构和独特的物理性能而成为研究的热点。目前,石墨烯的制备方法主要有:微机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)溶液还原法。与其它方法相比,氧化石墨烯溶液还原法具有高产量、低成本和可规模化制备等特点,有望成为规模化制备石墨烯的有效途径之一。然而在还原过程中常采用的还原剂肼和水合肼具有易爆炸性和强毒性,易对环境造成危害。因此,需要发现一种环境友好、温和且有效的方法来实现化学还原氧化石墨烯(Chemically Reduced Graphene Oxide,CRGO)的批量制备。 氧化锌(ZnO)因其无毒、成本低等优点被广泛应用于光催化的研究。氧化锌光催化剂光生电子-空穴对的快速复合是氧化锌光催化性能的主要限制因素之一,而石墨烯归因于其良好的电子传输性能和巨大的比表面积,使其成为氧化锌复合改性的理想材料。本论文的研究内容及结果如下: (1)通过简化的Hummers 法,改进的Hummers 法,加压氧化法三种不同方法制备出了氧化石墨烯。利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM) 、透射电镜(TEM)、红外光谱(FT-IR)对其化学组成和形貌进行了表征和分析。结果表明改进的Hummers 方法制备出的氧化石墨烯的具有较高的氧化程度。 (2)在水溶液中,采用具有较强还原能力和环境友好的还原剂腐植酸钠(Sodium Humate, SH)将氧化石墨烯的含氧基团成功移除,制备出稳定均匀的化学还原氧化石墨烯悬浮溶液,碳氧原子比达到3.78。这种制备方法不仅避免了有毒有害的还原剂以及表面活性剂等的添加和使用,也为化学还原氧化石墨烯的批量制备提供了一种简单且环境友好的方法。 (3)通过水热制备出石墨烯/氮掺杂氧化锌复合光催化材料,最佳的制备条件是氮掺杂量为0.4 g,氧化石墨烯和氮掺杂氧化锌的质量比为5%,水热温度为120 °C。在此条件下制备出的石墨烯/氮掺杂氧化锌复合光催化材料经过90 min 的光催化反应,亚甲基蓝的降解效率能达到95%。

【CN110026172A】一种在金属网上固化石墨烯基光催化剂的方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910351124.7 (22)申请日 2019.04.28 (71)申请人 江阴利创石墨烯光催化技术有限公 司 地址 214400 江苏省无锡市江阴市申港街 道申泰路99号 (72)发明人 周微 刘向东 马跃男  (74)专利代理机构 无锡市汇诚永信专利代理事 务所(普通合伙) 32260 代理人 王闯 葛莉华 (51)Int.Cl. B01J 21/18(2006.01) B01J 37/34(2006.01) C02F 1/30(2006.01) (54)发明名称一种在金属网上固化石墨烯基光催化剂的方法(57)摘要本发明公开了一种在金属网上固化石墨烯基光催化剂的方法,清洗烘干得到洁净的金属网;将酸雾直接喷射在金属网表面形成液膜,然后采用蒸馏水快速清洗,烘干后得到粗糙化的金属网;将三维石墨烯加入至无水乙醇中,然后加入钛酸正丁酯和乙基纤维素低温超声20-40min,然后升温超声10-30min,放入湿度为20-30%的烘箱内干燥1-2h,得到三维石墨烯基光催化材料;将聚丙烯酸加入至蒸馏水中搅拌均匀,均匀喷涂在金属网表面并烘干形成聚丙烯酸膜,然后将三维石墨烯基光催化材料加入至蒸馏水中,分散均匀后喷涂在聚丙烯酸膜表面形成石墨烯基光催化薄膜,恒温烘干得到镀膜金属网;将镀膜金属网放入反应釜中电极反应2-5h,得到固化石 墨烯基光催化剂的金属网。权利要求书1页 说明书6页CN 110026172 A 2019.07.19 C N 110026172 A

权 利 要 求 书1/1页CN 110026172 A 1.一种在金属网上固化石墨烯基光催化剂的方法,其特征在于:包括如下步骤: 步骤1,分别采用丙酮、去离子水对金属网进行超声清洗15-30min,取出后用清水冲洗数次,烘干得到洁净的金属网; 步骤2,将酸雾直接喷射在金属网表面形成液膜,然后采用蒸馏水快速清洗,烘干后得到粗糙化的金属网; 步骤3,将三维石墨烯加入至无水乙醇中,然后加入钛酸正丁酯和乙基纤维素低温超声20-40min,然后升温超声10-30min,放入湿度为20-30%的烘箱内干燥1-2h,得到三维石墨烯基光催化材料; 步骤4,将聚丙烯酸加入至蒸馏水中搅拌均匀,均匀喷涂在金属网表面并烘干形成聚丙烯酸膜,然后将三维石墨烯基光催化材料加入至蒸馏水中,分散均匀后喷涂在聚丙烯酸膜表面形成石墨烯基光催化薄膜,恒温烘干得到镀膜金属网; 步骤5,将镀膜金属网放入反应釜中电极反应2-5h,得到固化石墨烯基光催化剂的金属网。 2.根据权利要求1所述的在金属网上固化石墨烯基光催化剂的方法,其特征在于:所述步骤1中超声清洗的温度为4-10℃,超声频率为200-400kHz,所述烘干的温度为110-120℃。 3.根据权利要求1所述的在金属网上固化石墨烯基光催化剂的方法,其特征在于:所述步骤2中的酸雾采用稀盐酸溶液,浓度为0.001-0.004mol/L,所述酸雾在金属网表面的喷射量为5-10mL/cm2,所述烘干的温度为90-100℃。 4.根据权利要求1所述的在金属网上固化石墨烯基光催化剂的方法,其特征在于:所述步骤3中的三维石墨烯在无水乙醇中的浓度为20-50g/L,所述钛酸正丁酯的加入量是三维石墨烯质量的250-550%,所述乙基纤维素的加入量是三维石墨烯质量的80-90%,所述低温超声的温度为5-20℃,频率为40-60kHz。 5.根据权利要求1所述的在金属网上固化石墨烯基光催化剂的方法,其特征在于:所述步骤3中的升温超声的温度为80-100℃,超声频率为80-100kHz,所述干燥的温度为120-150℃。 6.根据权利要求1所述的在金属网上固化石墨烯基光催化剂的方法,其特征在于:所述步骤4中的聚丙烯酸在蒸馏水中的浓度为30-50g/L,所述均匀喷涂的喷涂量为10-30mL/ cm2,烘干温度为130-150℃。 7.根据权利要求1所述的在金属网上固化石墨烯基光催化剂的方法,其特征在于:所述步骤4中的三维石墨烯光催化材料在蒸馏水中的浓度为50-100g/L,喷涂的喷涂量为20-30mL/cm2,所述恒温烘干的温度为80-95℃,时间为1-2h。 8.根据权利要求1所述的在金属网上固化石墨烯基光催化剂的方法,其特征在于:所述步骤5中的电极反应的电压为5-10V。 9.根据权利要求8所述的在金属网上固化石墨烯基光催化剂的方法,其特征在于:所述电极反应的一端连接金属网,一端连接石墨基光催化薄膜。 2

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