银纳米颗粒/还原氧化石墨烯的制备和催化性能研究

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催化剂在化学领域有着非常重要的作用,接近95%的化学产品都会涉及到催化剂,大部分的化学反应都需要在催化剂的辅助下进行。其中金属催化剂更是非常重要的工业催化剂,已经成为化工工业中不可替代的一份子,此外金属催化剂在环境污染的治理中也扮演者越来越重要的角色。高效率和高资源利用率一直是人们不懈的追求,因此制备更高效、更稳定的催化剂仍然是目前的研究重点。本文主要从材料的形貌和结构出发,通过控制金属银催化颗粒的形貌和基体石墨烯材料的结构来研究其对复合材料催化性能的影响。其中金属银因性能优异成为一种被广泛应用的金属催化剂,将其分散在基体材料上制备纳米复合材料是使其实用化的一种途径;同时,石墨烯因具备超高的导电性和比表面积等优异特性而受到广泛关注,并越来越多的被用作催化剂的基体材料。本文目的是希望通过对这两种材料的复合形貌和结构的研究制备高效的催化剂。主要研究结果如下:1)首先,采用水热方法,引入封端剂海藻酸钠,制备具有特殊片状三棱柱形貌的银纳米颗粒与还原氧化石墨烯的复合催化剂。其中的海藻酸钠起到了关键作用,一方面作为还原剂有助于提高银和氧化石墨烯的还原度,更重要的是海藻酸钠是一种封端剂,它所具备的羧基与银晶体的(111)晶面有特殊的结合作用从而阻碍其生长,引导银晶体生长成片状三棱柱形貌。通过SEM、TEM、XRD、UV-Vis等表征证实制备得到的片状三棱柱银纳米颗粒/还原氧化石墨复合体系(SA-Ag-rGO)中的AgNPs具备片状三棱柱形状结构,并且AgNPs暴露的最大晶面是(111)晶面,该晶面与rGO片层平行。通过TEM、FT-IR和SR-SAXS等表征分析证实AgNPs表面包覆有一层由海藻酸钠经过水热还原碳化形成的无定型碳膜。SA-Ag-rGO的催化性能通过采用对苯酚催化还原成为对苯醌的反应进行表征,结果表明引入海藻酸钠制备得到的片状三棱柱银纳米颗粒/还原氧化石墨烯复合体系(SA-Ag-rGO)相比于未经形貌控制的复合体系(Ag-rGO),催化活性提高了12倍。2)其次,开发了一种简单、低成本的化学方法制备得到了具有三维多孔结构的rGO气凝胶和AgNPs的复合材料,并研究了其电化学催化活性。首先,采用氢氧化钠溶液作为还原剂,通过调控还原剂的浓度和GO与硝酸银的质量比,成功的制备得到银纳米颗粒/还原氧化石墨烯(3D-rGO/AgNPs)气凝胶材料。通过SEM、TEM和XRD的分析证实所制备的材料具有三维多孔结构并负载大量Ag纳米颗粒,三维多孔网状结构的多孔直径在50μm左右,Ag纳米颗粒尺寸均一,平均大小约为18 nm。并对3D-rGO/AgNPs气凝胶材料进行了电化学催化性能表征。结果表明制备得到的3D-rGO/AgNPs气凝胶材料用作电化学催化剂探测双氧水时,具有非常优异的性能,其线性检测范围为0.016-27 mM,灵敏度高达419.7μA mM-1 cm-2,检出限低达6.8μM,选择性好,对柠檬酸、抗坏血酸、葡萄糖等杂质的抗干扰效果显著。并且通过对比文献中报道的以银/石墨烯复合材料为活性物质的电化学传感器,证实本文中合成得到的3D-rGO/AgNPs气凝胶材料无论在线性检测范围、灵敏度还是最低检测限和选择性能上都具有更优秀的性能表现。
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