氮、磷摻雜石墨烯的合成及催化性能研究.pdf

1、石墨烯是一種新興的無機(jī)非金屬材料，它具有比表面積大、穩(wěn)定性高、載流子遷移率高等優(yōu)異性能而備受關(guān)注。非金屬元素?fù)诫s與修飾可以進(jìn)一步提高石墨烯的性能，所得材料在燃料電池、鋰離子電池、催化等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用前景。這也使得摻雜和修飾石墨烯的合成及應(yīng)用成為了新的研究熱點(diǎn)。本文合成出了一系列非金屬元素?fù)诫s與修飾的石墨烯，并將其作為環(huán)己烷氧化、Knoevenagel縮合反應(yīng)、邁克爾加成反應(yīng)、酯交換反應(yīng)和光解水制氫的催化劑。主要包括以下幾個(gè)方面:

2、
　　1.氨氣氣氛下熱處理氧化石墨烯制備了氮摻雜的石墨烯。AFM、TEM、XRD、元素分析、FT-IR和XPS等手段研究了樣品的形貌、組成和結(jié)構(gòu)。氮含量隨處理溫度升高先增加后降低，最大值為10.1％（原子比）。高溫處理處理時(shí)，石墨烯結(jié)構(gòu)被破壞。氮主要以吡啶氮、胺和石墨氮三種形式存在，升高溫度胺分解、部分吡啶氮轉(zhuǎn)化為石墨氮。
　　2.以氮摻雜的石墨烯作為環(huán)己烷氧化反應(yīng)的催化劑，考察了樣品的處理溫度和反應(yīng)所用溶劑對催化活性的影響

3、。700℃處理的樣品活性最高，環(huán)己烷轉(zhuǎn)化率可達(dá)9.6％。溶劑對反應(yīng)具有不忽視的影響，這可能與溶劑分子的極性、與環(huán)己烷形成氫鍵的強(qiáng)弱、自由基清除能力、α-H活性有關(guān)。氮摻雜石墨烯的大共軛體系和石墨烯缺陷易不利于自由基反應(yīng)的進(jìn)行。
　　3.采用低溫水熱處理小分子胺和氧化石墨烯，首次一步合成了一系列氮摻雜且胺修飾的石墨烯固體超強(qiáng)堿。采用AFM、TEM、XRD、拉曼光譜、元素分析、FT-IR和XPS等手段研究了樣品的形貌、組成和結(jié)構(gòu)。氮含

4、量由小分子胺的種類決定，甲胺修飾的石墨烯的氮含量可達(dá)18％。氮元素主要以吡啶氮、胺和銨鹽的形式存在。采用熱重差熱分析和無機(jī)質(zhì)譜分析了所得材料的熱穩(wěn)定性。
　　4.為了研究胺與氧化石墨的反應(yīng)機(jī)理，苯甲酸、環(huán)氧環(huán)己烷、苯酚被用作為模型化分子與丙胺進(jìn)行反應(yīng)。結(jié)合胺修飾石墨烯的無機(jī)質(zhì)譜和XPS譜圖，提出了胺與氧化石墨烯反應(yīng)機(jī)理。
　　5.使用哈密特制試劑測定了胺修飾石墨烯的堿強(qiáng)度，并研究了這一系列催化劑在Knoevenagel縮合反

5、應(yīng)、邁克爾加成反應(yīng)和酯交換反應(yīng)中的催化活性。有機(jī)胺修飾的石墨烯均為固體超強(qiáng)堿。胺修飾石墨烯的堿性可以通過改變胺的種類進(jìn)行調(diào)節(jié)。在Knoevenagel縮合反應(yīng)和酯交換中表現(xiàn)出了良好的催化活性。吡啶氮為邁克爾加成反應(yīng)的活性位點(diǎn)，而胺則是酯交換反應(yīng)的活性位點(diǎn)。產(chǎn)物GC-MS結(jié)果和循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該類催化劑具有很高的穩(wěn)定性。
　　6.采用水熱處理氧化石墨烯、白磷和氫氧化鉀的水溶液制備了磷摻雜的石墨烯，磷含量可達(dá)4.6％。該催化劑在可見