石墨烯负载金属纳米离子的制备及其界面结构与电化学行为研究

Carbon encapsulated metal nanoparticles (CEMNPs) is a new type of new carbon materials, which is the basic unit of carbon material in the construction of the other dimension. according to the disadvantages of traditional method,A new methord was based on liquid phase reduction and carbonization of the materials preparation,Material formulations and process were further optimized.For low-cost preparation of CEMNPs with high performance，the experimental data and theoretical basis was accumulated and established. The phase, morphology, and structure of as-prepared samples were characterized using X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), Raman spectroscopy (Raman), X-ray photoelectron spectroscopy analysis (XPS) and energy spectrum (EDS) respectively. Inherent law of interface and catalysis applications of graphene decorated with metal nanoparticles(Fe\Co\Ni\Cu) was researched.The new applications and prorerties of CEMNPs was researched for the synergistic effect.The theoretic basis and the technical basis for further research of CEMNPs will be provided by the research results in this project.

石墨烯(Graphene, Gr)，是由sp2杂化的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构，是构建其他各维数的碳材料的基本单元。本项目针对石墨烯传统制备方法的不足，结合已有的石墨烯负载磁性金属纳米离子研究基础，采用在Hummer法基础上改进的液相还原-高温炭化法制备该材料，不断优化配方及制备工艺，为低成本大规模制备稳定的石墨烯负载金属纳米离子复合材料积累经验和理论基础，并运用XRD、XPS、Raman、EDS等技术结合相关的界面理论及模型探究石墨烯负载Fe\Co\Ni\Cu等金属纳米离子的界面结构与材料电化学催化机理间的内在规律，并在此基础上进一步探索金属纳米粒子与石墨烯之间协同效应可能产生的新的性能和用途。研究成果将会为石墨烯负载的进一步研究提供理论依据和技术基础。

本项目研究工作严格按照研究计划开展，已经完成任务书中的研究内容，达到了预期研究目标，取得以下研究成果：.1.采用改进Hummers法成功制备出氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)，通过XRD、FIIR、Raman、TEM等测试手段对其进行表征。通过化学还原及碳热还原法制备出石墨烯-金属纳米粒子复合物(Graphene-Co nanoparticles, GE-Co—GE/Co(OH)2、GE/Co3O4、GE/Co；Graphene-Ni nanoparticles, GE-Ni—GE/Ni(OH)2、GE/NiO、GE/Ni；Graphene-Fe nanoparticle, GE-Fe—GE/Fe2O3; Graphene-Ce nanoparticle, GE-Ce—GE/CeO2)和石墨烯-双金属纳米粒子复合物(Graphene-Co-Ni nanoparticle，GE-Co-Ni(GE/CoNiO2)和Graphene-Ce-Fe nanoparticle, GE-Ce-Fe—GE/CeO2/Fe2O3)。通过对复合物物相、分子振动模式、分子结构等的表征分析结果可知：复合物中，石墨烯含氧官能团基本消失，还原程度高；金属粒子均匀地负载于石墨烯表面；不同金属粒子与石墨烯之间相互作用不同导致其生长取向不同，表现出不同的界面结构。.2.通过将复合物的修饰电极三电极体系对酸性条件下电解液中As3+做循环伏安曲线扫描。结果表明：GE/Fe2O3、GE/CeO2和GE/CeO2/Fe2O3纳米粒子复合物电极对As3+均具有催化活性，且响应灵敏度数量级可达10-5，其中GE/CeO2/Fe2O3复合物修饰电极对As3+的催化性能最佳。在此基础上，选择催化性能最佳的GE/CeO2/Fe2O3复合物修饰电极对废水进行As3+的催化性能测试，结果显示该复合物修饰电极能够对废水中As3+做出响应，且催化效应良好，灵敏度达10-4。这与前面实验中催化效应相比，提升了一个数量级。.3.结合不同金属纳米粒子复合物及双金属纳米粒子复合物界面表征数据，研究、分析了复合物的界面形成过程，并探讨了由杂质、缺陷、空穴、不同金属粒子负载石墨烯复合物、双金属粒子负载石墨烯复合物和不同价态金属粒子(同一金属)负载石墨烯复合物所产生的不同的界面相互作用机理。