基于小尺寸氧化石墨烯納米片的復(fù)合材料的組裝與催化等性能.pdf

1、針對高氧化程度的小尺寸氧化石墨烯(GO)的制備和分離困難、調(diào)控石墨烯3D多孔材料孔徑和性能的方法單一、優(yōu)勢形貌Pt催化劑難以可控自組裝等科學(xué)問題，重點開展應(yīng)用高碘酸(HIO4)氧化和超聲剝離方法調(diào)控GO尺寸，以超聲的不同尺寸GO為前驅(qū)體合成孔徑和催化性能可控的氮摻雜石墨烯氣凝膠(NGA)，并用NGA誘導(dǎo)形成主要暴露Pt(111)面的抗毒性Pt納米片(PtNPTs)和具有高效氧還原(ORR)性能的小尺寸Pt納米晶(PtNCs)等工作;深化

2、了對超小GO(UGO)以及石墨烯多組分功能體系的認(rèn)識，為超細(xì)材料的制備與純化、超聲剝離微/納米片的制備、3D多孔材料的調(diào)節(jié)、具有優(yōu)勢形貌高效Pt催化劑復(fù)合材料的組裝提供了實驗、理論、應(yīng)用指導(dǎo)。
　　用HIO4氧化通過改進(jìn)的Hummers's法制得的GO微米片(橫向尺寸1μm)得到了橫向尺寸為20-40 nm的UGO納米片。由于UGO尺寸太小，無法將其從UGO/HIO4混合液中離心分離，只能采用透析分離。然而，HIO4的強氧化性會使

3、透析袋易碎，導(dǎo)致純化失敗。我們找到了解決該問題的方法，即在透析之前用乙二醇(EG)將HIO4還原為碘酸(HIO3)，避免了強氧化性的HIO4對透析袋的破壞。UGO具有高的O/C比(0.65)和邊長/面積比，在水中分散很好。醌式結(jié)構(gòu)的UGO在酸性條件下產(chǎn)生pH響應(yīng)的熒光。在pH=1.0時，UGO發(fā)綠色熒光，在530 nm處具有較寬的發(fā)射峰。當(dāng)pH增加到6.0時，熒光由綠色變?yōu)辄S色，熒光發(fā)射峰紅移至590 nm。在pH=12.0時，無熒光產(chǎn)

4、生。
　　我們還提出了一個用不同尺寸和氧化程度的GO納米片(GONSs)和多巴胺(DA)作為前驅(qū)體來調(diào)節(jié)具有優(yōu)異機械穩(wěn)定性和電催化生物檢測活性的NGA的孔隙的策略。該GONSs通過調(diào)整由改進(jìn)的Hummers's法制得的GO的超聲時間來獲得。尺寸越小、氧化程度越高的GONSs，制得的NGA的N含量越高、比表面積越大、平均孔徑越小。NGA的大比表面積可將N原子活性位點充分暴露在周圍介質(zhì)中。因此，由最小尺寸、最高含氧量的GONSs得到的

5、最高N含量和最大比表面積的NGA具有最優(yōu)異的電催化活性，可通過三個分離的氧化峰來同步檢測抗壞血酸(AA)、DA、尿酸(UA)，且具有比文獻(xiàn)中更小的峰電壓和更的大峰電流。還可在三者混合物中有效地單一檢測AA、DA、UA，分別對應(yīng)大的線性范圍:5-100、0.5-250、3-200μM;以及低的檢測限:1.32、0.14、0.85μM。除了作為N原，DA還可通過交聯(lián)石墨烯納米片來穩(wěn)定NGA。圍繞DA與NGA的相互作用，討論了檢測低濃度DA的

6、機理。
　　除具有優(yōu)異電催化生物檢測活性外，豐富微孔NGA還具有高效ORR性能。具有近3倍于文獻(xiàn)中的最大比表面積值的比表面積(1631 m2/g)的豐富孔結(jié)構(gòu)，特別是壁上的微孔縮短了反應(yīng)物O2在孔道內(nèi)的輸送距離，減少其擴散時間;另外，高含量(7.21 at％)的N原子增加了O2在NGA體系的擴散常數(shù);因此，增加了ORR速率，使得NGA還具有比迄今報道的非金屬催化劑以及包括商業(yè)Pt/C催化劑在內(nèi)的金屬/碳材料催化劑更大的ORR電流。

7、
　　孔豐富的3D NGA還可誘導(dǎo)優(yōu)先暴露Pt(111)晶面的超薄Pt納米片(Pt(111)NPTs)。Pt(111)NPTs的平均尺寸為120 nm，厚度為10 nm，表面原子占總Pt原子的比(28％)大，有利于Pt的經(jīng)濟利用。該Pt(111)NPTs是由大比表面積、高N含量的NGA制得。在NGA上均勻負(fù)載有Pt(111)NPTs的NGA(Pt(111)NPTs/NGA)具有緊密孔道，其大的比表面積(436 m2/g)確保了Pt

8、(111)NPTs在孔道內(nèi)的充分暴露。因此，Pt(111)NPTs/NGA具有高抗毒性和迄今報道的最大電流。
　　我們還通過簡單的一鍋共組裝法制得小尺寸PtNCs(平均直徑2.8nm)和介孔NGA的共組裝體系(PtNCs@NGA)。具有迄今最大比表面積(1750 m2/g)的豐富孔特別是壁上的微孔不但確保了活性PtNCs與O2充分暴露接觸，還縮短了O2在孔道內(nèi)的輸送距離。高含量(3.93 at％)的N原子不但能夠促使小尺寸PtNC