納米復(fù)合材料界面電子轉(zhuǎn)移對(duì)光、電催化性能影響的研究.pdf

1、納米復(fù)合材料作為一類重要的功能材料，是經(jīng)由不同結(jié)構(gòu)單元在微納尺度或分子水平上復(fù)合或組裝所形成的一類新型材料。通過復(fù)合，各結(jié)構(gòu)單元在性能互補(bǔ)的基礎(chǔ)上，可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，從而賦予納米復(fù)合材料獨(dú)特的性質(zhì)。納米復(fù)合材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。在催化應(yīng)用領(lǐng)域，納米復(fù)合材料在催化反應(yīng)過程中，常常與反應(yīng)物之間或自身各結(jié)構(gòu)單元之間發(fā)生界面電子轉(zhuǎn)移的過程，探究納米復(fù)合材料在催化反應(yīng)過程中界面電子的轉(zhuǎn)移形式，對(duì)于調(diào)控其催化性能至

2、關(guān)重要。
　　基于以上考慮，本論文以催化應(yīng)用為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)合成了一系列具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的新型納米復(fù)合材料，系統(tǒng)探究了一系列納米復(fù)合材料在催化反應(yīng)過程中的光、電驅(qū)動(dòng)的界面電子轉(zhuǎn)移過程，旨在建立納米復(fù)合材料界面電子轉(zhuǎn)移與催化性能的關(guān)系。論文取得的主要研究結(jié)果如下：
　　首先，我們以碳基納米復(fù)合催化劑中碳碳結(jié)構(gòu)單元之間的界面電子轉(zhuǎn)移為研究對(duì)象，將天然生物質(zhì)模板作為原料，合成了“樹葉狀”氮摻雜石墨烯與納米碳纖維復(fù)合材料（CNF@

3、NG），結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，氮摻雜石墨烯與納米碳纖維高度復(fù)合，有利于二者間的界面電子轉(zhuǎn)移，保證電子通過納米碳纖維快速轉(zhuǎn)移至氮摻雜的石墨烯催化活性位點(diǎn)。此外，納米碳纖維支撐的三維多孔結(jié)構(gòu)有助于反應(yīng)物質(zhì)在材料表面的傳輸。在此基礎(chǔ)上，我們將CNF@NG納米復(fù)合材料應(yīng)用于燃料電池陰極氧還原電催化反應(yīng)，表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的催化活性、單一的選擇性和超高的穩(wěn)定性。
　　其次，我們以碳基納米復(fù)合催化劑中碳與過渡金屬硫化物之間的界面電子轉(zhuǎn)移為研究對(duì)象，將一

4、整張氮摻雜石墨烯與納米碳纖維復(fù)合碳紙（CPs）作為基底，在其表面修飾超薄MoS2納米片，得到了三維多孔MoS2-CPs復(fù)合碳紙材料。結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，由于結(jié)構(gòu)單元MoS2與CPs之間的強(qiáng)相互作用限制了MoS2納米片的生長(zhǎng)，得到的MoS2具有超薄且富含大量缺陷的特點(diǎn)，這有利于MoS2活性邊緣的暴露，同時(shí)，MoS2與CPs之間的強(qiáng)相互作用有助于電子在界面間快速轉(zhuǎn)移，促進(jìn)催化反應(yīng)的進(jìn)行。此外，CPs的三維多孔結(jié)構(gòu)有利于反應(yīng)物質(zhì)和產(chǎn)物的擴(kuò)散，很大程

5、度上提高了催化反應(yīng)的效率。在此基礎(chǔ)上，我們將MoS2-CPs復(fù)合碳紙作為大面積工作電極應(yīng)用于電催化制氫反應(yīng)中，研究發(fā)現(xiàn)無論在酸性和堿性電解液中，MoS2-CPs均表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化制氫活性，并展現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性能。
　　為了證明以尿素?zé)峥s聚形成的氮化碳模板合成石墨烯基納米復(fù)合材料的普適性，我們以廢紙（如打印紙、濾紙、牛皮紙、餐巾紙、廢報(bào)紙和掛歷紙）為原料，以尿素作為唯一添加劑，一步熱處理得到了表面類“樹枝狀”碳紙復(fù)合材料（GC

6、CP）。結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，GCCP表面特征為氮摻雜石墨烯和納米碳纖維覆蓋微米碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)，形成了一種類“樹枝狀”的多級(jí)分層納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合結(jié)構(gòu)賦予了GCCP表面超疏水特性，可以直接用于油水分離應(yīng)用，且分離效率超過95％；同時(shí)，高度石墨化的GCCP展現(xiàn)了優(yōu)異的導(dǎo)電性能，可以直接作為導(dǎo)電碳紙或復(fù)合制成柔性電極使用；此外，GCCP碳紙?jiān)谝幌盗须姶呋磻?yīng)中表現(xiàn)出了較好的催化活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性。
　　此外，我們還以介晶復(fù)合氧化物催化劑中介