氮掺杂空心碳纳米球嵌入氮掺杂石墨烯负载钯纳米粒子作为甲酸氧化的高效电催化剂

低成本、高活性、耐久性好的高效电催化剂对直接甲酸燃料电池的应用起着至关重要的作用。本文采用简单经济的方法,研究了以三维层状多孔结构嵌入氮掺杂石墨烯(NG)的氮掺杂空心碳纳米球(NHCN)负载Pd纳米粒子作为直接甲酸燃料电池催化剂。由于具有独特的氮原子掺杂三维互联层状多孔结构,Pd纳米颗粒尺寸较小的Pd/NHCN@NG催化剂具有较大的催化活性表面积、优越的电催化活性、较高的稳态电流密度和较强的抗CO中毒能力,明显超过传统的Pd/C、Pd/NG和Pd/NHCN催化剂对甲酸电氧化的催化性能。通过优化HCN/GO比,当HCN/GO质量比为1∶1时,Pd/NHCN@NG催化剂对甲酸的催化氧化性能最佳,其活性是Pd/C的4.21倍。本工作开发了一种优越的碳基电催化剂载体材料,为燃料电池的发展带来了广阔的应用前景。

氮掺杂石墨烯负载过渡金属催化CO_(2)RR的DFT研究

设计了氮掺杂石墨烯负载四种过渡金属单原子催化剂用于CO_(2)RR(金属为Cu、Rh、Ir、Mn),考虑了5种氮配位(N_(1)、N_(2-1)、N_(2-2)、N_(3)和N_(4)),并通过第一性原理研究反应机理。自由能曲线显示Ir-N_(4)具有-0.323e V的低极限电位,通过增加缺陷改性的Rh-N_(4)的CO_(2)RR性能也得到了改善。进一步通过Ir-N_(4)和Rh-N_(4)的差分电荷和态密度曲线分析吸附中间体COOH和金属原子之间的电荷转移和键合状态,发现金属原子和COOH之间的强烈相互作用形成了共价键,从而降低反应的总能量。本研究为设计高效的单原子CO_(2)RR催化剂提供了理论参考。

氮掺杂石墨烯负载铁镍双金属磷化物及其电催化水分解性能研究

析氢反应和析氧反应是电化学水分解和金属–空气电池等可再生能源技术的基础反应。各种过渡金属(Co、Fe、Ni等)基催化剂由于具有良好的电催化活性而被大量探索,以作为贵金属潜在的替代品。本研究成功制备出负载于NGO上的双功能电催化剂((FexNi1-x)2P/NGO)。在1 M KOH中,达到10 mA/cm2的电流密度,OER过电位需228 mV,HER过电位需160 mV。(FexNi1-x)2P/NGO作为电解池的阴极和阳极时,1.66 V的电压就能达到10 mA/cm2的电流密度,并表现出优异的稳定性。该研究简化了镍铁磷化物的合成过程,并且片状NGO减少了纳米粒子的团聚,提供了大量的活性位点。

Ag/氮掺杂石墨烯水凝胶的催化性能研究

以氧化石墨烯(GO)作为前驱体,聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)为添加剂,采用水热法制得负载了Ag纳米颗粒的氮掺杂石墨烯水凝胶(Ag/N-RGOH),反应产品通过SEM、XRD、拉曼等手段得到了验证,并使用10 mM苄氯+1-丁基-3甲基咪唑三氟甲磺酸盐离子液体电解液研究其电化学还原苄氯的性能。结果表明所制备的Ag/N-RGOH材料对苄氯有良好的电催化活性及催化稳定性。

氮掺杂石墨烯的制备及其电催化氧气还原性能

通过改良Hummers法制备氧化石墨(Graphite oxide,GO),采用爆炸辅助还原法将GO还原剥离并原位掺杂得到氮掺杂石墨烯(Nitrogen-doped graphene,N-RGO)。采用TEM、SEM、FI-IR、XPS、XRD及Raman等分析手段对N-RGO的形貌、组成以及结构进行了表征,利用旋转环盘电极技术测试了其电催化氧气还原活性。TEM和SEM结果表明,爆炸条件下GO被很好地剥离开来,得到只有几层厚度的石墨烯;FI-IR及XPS结果表明,GO中大部分含氧官能团被脱除,C/O原子比达到26.2,是目前所得GO还原程度非常高的方法之一,且氮元素成功掺杂进石墨烯晶格中,掺杂氮的原子质量分数约为2.11%;电化学测试结果显示,氧气还原的极限扩散电流由非氮掺杂石墨烯(Reduced graphene oxide,RGO)的0.24mA提高到N-RGO的0.49 mA,尽管爆炸辅助还原得到的RGO对氧气还原也显示出较好的催化活性,但掺杂之后的N-RGO具有更高的催化活性。

WO_3/氮掺杂石墨烯复合材料的制备及室温气敏研究

以氨水为氮源,采用简便的超声法将氮元素掺杂进石墨烯,通过溶胶-凝胶法制备WO3/氮掺杂石墨烯复合材料,经Raman、XPS、TEM等表征对其进行结构和形貌分析,并在光电流平台上测试其对NO2气体的室温气敏性能。结果表明,对石墨烯进行氮掺杂后形成新的C-N键,石墨烯表面缺陷增加,导电性能提升,WO3/氮掺杂石墨烯复合材料表现出优异的室温气敏特性。

氮掺杂石墨烯作为锂离子电池负极材料的电化学性能

以天然石墨为原料,通过氧化、快速热膨胀和超声分散制备石墨烯。将氧化石墨与三聚氰胺在氮气下950℃反应合成氮掺杂石墨烯。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)以及红外光谱(FTIR)、X射线能谱(XPS)等测试方法对氮掺杂石墨烯的形貌、结构进行分析。结果表明,该方法合成了薄层状氮掺杂石墨烯。采用恒流充放电和循环伏安法等手段测试氮掺杂石墨烯、石墨烯和天然石墨作为锂离子电池负极材料的电化学性能,比较研究了三者用作锂离子电池负极材料的电化学性能,结果表明氮掺杂石墨烯负极材料具有优异的电化学能和独特的储锂机制。

不同氮掺杂石墨烯氧还原反应活性的密度泛函理论研究

N掺杂石墨烯作为一种具有较高活性和稳定性的氧还原反应(ORR)催化剂,受到人们的广泛关注。然而不同的N掺杂类型对氧还原活性的影响一直存在争议。本文通过密度泛函理论分别对石墨型和吡啶型两种N掺杂石墨烯的ORR活性进行比较研究。能带结构分析表明,石墨氮掺杂石墨烯(GNG)的导电性随掺N量的增加而降低;吡啶氮掺杂石墨烯(PNG)的导电性则随掺N量的增加先提高后降低。当N掺杂浓度达到4.2%(原子分数)时,PNG具有最优导电性。且当N掺杂浓度大于1.4%时,PNG的导电率总是高于GNG。氧还原自由能阶梯曲线发现O_2的质子化是整个氧还原过程的潜在控制步骤。在同等氮掺杂浓度下,O_2的质子化自由能能变在GNG上低于在PNG上,意味着若在同等电子传输能力的情况下,GNG具有比PNG更优异的催化活性。进一步分析发现:当N掺杂浓度在低于2.8%时,GNG和PNG导电性差异小,其催化ORR活性由O_2质子化反应难易程度决定,GNG的催化活性优于PNG;当N掺杂浓度高于2.8%时,氮掺杂石墨烯的电子传输性能(导电性)成为决定催化剂ORR活性的主要因素,因此PNG表现出较GNG更高的活性。

氮掺杂石墨烯的生长机理及其在乙苯选择性氧化中的应用(英文)

以热解氧化石墨烯材料为碳基底,分别使用有机氮源和无机氮源对其进行氮掺杂处理, 制备了一系列氮掺杂石墨烯材料.采用透射电子显微镜、扫描电子显微镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱等表征方法考察了氮掺杂石墨烯的生长机理. 结果表明, 随着制备过程中退火温度的改变, 氮掺杂石墨烯中不同氮物种的含量有显著差别.这种差异是由不同氮物种化学环境的差异所导致的.所制备的含氮石墨烯材料对乙苯选择性氧化制苯乙酮反应均表现出优良的催化活性.其中,石墨氮的含量对于提高苯乙酮收率起到至关重要的作用.此外,通过氧化剂控制活化的方法可以消除过多的结构缺陷和过量氮掺杂对催化反应的不利影响, 有效提升氮掺杂石墨烯的催化活性.

氮掺杂石墨烯的一步法低温合成及用作微生物燃料电池阴极催化剂的产电特性

利用爆炸法低温合成了氮掺杂石墨烯(NG),并通过高分辨透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪、Raman光谱仪以及X射线衍射仪对其进行了表征.电化学性能检测结果表明,所合成的NG在中性磷酸盐电解液中具有优异的氧还原催化活性,完全能够与贵重金属铂催化剂(Pt/C)相媲美,氧还原催化稳定性甚至优于Pt/C.当NG用作微生物燃料电池(MFCs)的阴极氧还原催化剂时,在外阻为1000Ω情况下,MFCs的最大功率密度为1345 mW/m2,产电稳定性优于以Pt/C为阴极催化剂的MFCs,可以成为Pt催化剂的理想替代品.

磁性四氧化三铁氮掺杂石墨烯磁性固相萃取测定水样中的6种醛酮化合物

以磁性氮掺杂石墨烯(Fe_3O_4/N-G)为磁性固相萃取吸附剂,建立了2,4-二硝基苯肼(DNPH)柱前衍生-超声辅助磁性固相萃取-超高效液相色谱-四极杆轨道离子阱高分辨质谱技术同时测定水样中丙酮、丙烯醛、丁烯醛、丁醛、环己酮和己醛的分析方法。通过单因素实验得到最佳衍生化条件为:水样p H=3,反应温度为40℃,反应时间为40 min。在优化的衍生化条件下,6种醛酮化合物的转化率在52.1%～86.6%之间。Fe_3O_4/N-G纳米材料萃取富集6种醛酮衍生化产物苯腙。采用响应曲面法优化了磁性固相萃取条件,在优化条件下,100 mL水样只需加入4.7 mg Fe_3O_4/N-G纳米材料,超声萃取10 s,6种醛酮化合物的萃取回收率可达到86.3%～91.4%。研究表明,通过磁性固相萃取可基本去除过量DNPH。在2～100 ng/L范围内,6种醛酮化合物浓度与峰面积呈良好的线性关系,相关系数为0.9980～0.9995,检出限(S/N=3)和定量限(S/N=10)分别为0.05～0.20 ng/L和0.20～0.96 ng/L,3个加标浓度水平的回收率为74.1%～101.0%,日内、日间测定的相对标准偏差分别为1.1%～4.2%和2.5%～6.3%(n=6)。用建立的方法对实际水样进行分析,在实验室废水、管材浸泡水和雨水中均检测到醛酮类物质。本方法操作简单,灵敏度高,分析速度快,且抗污染能力强,适用于水样中醛酮类化合物的检测。

氮掺杂石墨烯负载的硫化镉空心球纳米复合材料的光催化性能(英文)

通过无模板法一步合成了一种新型N掺杂石墨烯负载的CdS空心球复合材料.采用X射线衍射、透射电镜、红外光谱、紫外-可见光谱、N2吸附-脱附、荧光光谱和X射线光电子能谱等技术对该材料进行了表征,并在可见光照射下测试了其在降解亚甲基蓝和水杨酸中的光催化性能.结果表明,相对于氧化石墨烯负载硫化镉空心球和单独的硫化镉空心球,氮掺杂石墨烯负载的硫化镉空心球具有更高的光催化活性和稳定性.这是由于氮掺杂的石墨烯能充当优异的电子受体和传输体,从而抑制了载流子的复合.另外发现,羟基自由基是可见光下降解亚甲基蓝的主要活性物种.

氮掺杂石墨烯纳米片的制备及其电化学性能

以石墨片为原料,在氮气气氛下,通过机械针磨法制备了氮掺杂石墨烯纳米片.扫描电子显微镜和比表面积分析表明机械针磨过程可以有效地将大尺寸石墨片破碎成石墨烯纳米片.在石墨片的破碎过程中,会引起C—C键的破坏.因此,在破坏的边缘位置能够产生碳活性点.这些碳活性点可以与氮反应实现氮元素的掺杂.X射线光电子能谱分析表明碳活性点与氮反应使氮元素掺入石墨烯结构边缘,形成吡咯型氮和吡啶型氮.电化学阻抗谱分析表明所制备的氮掺杂石墨烯纳米片对I_3^-还原反应具有较高的电催化活性,循环伏安与恒流充放电测试表明氮掺杂石墨烯纳米片具有较好的电容性能.较高的比表面积和边缘氮掺杂结构是氮掺杂石墨烯纳米片具有优异电化学性能的主要原因.因此,氮掺杂石墨烯纳米片可以应用于染料敏化太阳能电池对电极和超级电容器电极.

氮掺杂石墨烯纳米结构的等离激元激发(英文)

基于含时密度泛函理论,研究了氮掺杂石墨烯纳米结构的等离激元特性。吡啶型氮掺杂不影响石墨烯纳米结构的等离激元激发特性,而取代型氮掺杂主要基于石墨烯纳米结构对称性的改变和体系中电子密度的增加来影响石墨烯纳米结构的等离激元共振。相对于纯六角石墨烯纳米结构,在低能共振区,取代型氮掺杂六角石墨烯纳米结构的等离激元共振能量发生了红移。相对于纯矩形石墨烯纳米结构,在低能共振区,取代型氮掺杂矩形石墨烯纳米结构沿扶手椅型边界方向激发时,其等离激元共振能量发生了蓝移;沿Z字型边界激发时,其主要的等离激元共振模式受掺杂氮的影响较小。

氮掺杂石墨烯量子点对Cr(Ⅵ)的选择性检测

为制备生物兼容性良好的Cr(Ⅵ)离子检测材料,以柠檬酸为碳源,以氨水为氮源,采用水热法制备了具有良好水溶性和荧光性能的氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs).以N-GQDs作为荧光探针,基于Cr(Ⅵ)能够使荧光探针的荧光发生淬灭的原理,实现对水溶液中Cr(Ⅵ)的选择性检测.研究水热温度、反应时间、溶液的pH值对N-GQDs荧光性能的影响,并借助傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线电子能谱(XPS)表征了氮掺杂石墨烯量子点的化学信息.结果表明:随着水热温度、反应时间、pH值的增加,N-GQDs的荧光强度先增大后降低;在水热温度180℃、反应时间10 h、pH=7.0时,氮掺杂石墨烯量子点的荧光性能最好,此时该荧光探针在水溶液中的最低检测限可达到50 nmol/L.

氮掺杂石墨烯用于碱性燃料电池产过氧化氢

以天然石墨(G)为原料,苯胺为含氮前驱体,采用Hummers法、原位引发苯胺聚合以及在氮气中高温热处理制备了氮掺杂石墨烯(N-G)。借助X射线衍射(XRD)、傅里叶转换红外光谱(FT-IR)、透射电子显微镜(TEM)、低温氮气吸脱附(BET)、热分析方法(TG-DSC)和电化学测试等手段对N-G的组成、结构、形貌和电化学性能等进行表征分析和评价。结果表明,在氮气中高温热处理聚苯胺修饰的氧化石墨烯(GO)能够有效地对其进行还原和氮掺杂,获得的N-G具有微孔结构,比表面积达到167.6 m^2/g,显示出高的热稳定性;在三电极体系中,N-G在0.1 mol/L KOH中催化氧气还原反应(ORR)的起始电势为0.89 V,主要以2电子反应途径进行,生成H_2O_2的选择性达到75%~95%,并且产生的电流密度较大。

氮掺杂石墨烯量子点与Fe^(3+)相互作用的荧光光谱性能研究

通过柠檬酸高温裂解法合成了氮掺杂石墨烯量子点,并基于Fe^(3+)对氮掺杂石墨烯量子点的较强的荧光猝灭作用,建立了一种检测Fe^(3+)的方法.研究发现,氮掺杂石墨烯量子点荧光强度的降低(F_0/F)与Fe^(3+)的浓度之间具有良好的线性关系,线性范围为0.018 5~0.536 5 mmol/L,最低检出限为1.73 nmol/L.同时讨论了pH值、温度以及时间对荧光猝灭体系的影响,优化了实验条件.并采用变温实验和热力学计算探讨了荧光猝灭机理,表明二者之间是放热自发的动态猝灭过程,并实现了对食品中Fe^(3+)的检测,为建立新型荧光传感器提供了理论和实验基础.

氮掺杂石墨烯/氧化亚铜复合凝胶的制备与性能

为了拓展石墨烯凝胶材料在污水处理领域的应用,以氧化石墨烯与氢氧化铜为前驱物,氨水为氮源,葡萄糖为还原剂,利用一步水热法制备了氮掺杂石墨烯/氧化亚铜(NG/Cu_2O)复合凝胶材料。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜表征产物的微观形貌与结构,通过紫外-可见分光光度计测试NG/Cu_2O复合材料在不同的光照环境下对罗丹明B(RhB)染料所表现出的吸附降解性能。实验结果表明,与NG凝胶相比,NG/Cu_2O复合凝胶材料表现出更好的吸附与催化降解能力,且在紫外光的光照环境下对RhB染料的吸附降解性能最佳。

亚硝酸盐在氮掺杂石墨烯-CuS复合材料修饰电极上的电化学响应及测定

采用简单的水热反应制备氮掺杂石墨烯(NG)-CuS复合材料,并采用X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和X-射线光电子能谱(XPS)对该材料进行了表征。将该材料修饰至玻碳电极(GCE)上研究了其对亚硝酸盐的电化学响应。结果表明,NG-CuS/GCE具有大的比表面积和高导电性,从而对亚硝酸盐表现出好的电催化效果。在最佳实验条件下,NG-CuS/GCE对亚硝酸盐的响应在3s之内达到稳定,其催化氧化峰电流和亚硝酸盐浓度在0.1μmol/L^14.02 mmol/L之间呈良好的线性关系,检测限(S/N=3)低至33nmol/L。该修饰电极测定亚硝酸盐的稳定性、重现性和选择性好,已经成功用于实际样品中亚硝酸盐的测定。

基于联吡啶钌在CdTe量子点/氮掺杂石墨烯修饰电极上的电致化学发光法测定三丙胺

本文制备了CdTe量子点/氮掺杂石墨烯复合材料(CdTe QDs@NG),并采用透射电镜和红外光谱表征了该复合材料。因为CdTe QDs和氮掺杂石墨烯之间的协同作用,将他们修饰至基底电极上改善了电极表面的电子传递性能、发光效率以及比表面积,从而在三丙胺(TPA)存在下,联吡啶钌在CdTe QDs@NG复合材料修饰电极上的电致化学发光(ECL)强度远远超过在裸玻碳电极上的响应效果,因此根据TPA对联吡啶钌电致发光信号的增敏作用建立了测定TPA的新体系。结果表明,在最佳实验条件下,联吡啶钌电致发光强度差值ΔIECL与TPA浓度在4.0×10-9~4.0×10-7 mol/L范围内呈良好的线性关系,检测限(S/N=3)低至1.4×10-9 mol/L。该方法的选择性高、灵敏度强、重现性好,10次重复测定8.0×10-8 mol/L的TPA,相对标准偏差仅为2.03%。采用该方法测定了环境水样中的TPA浓度,加标回收率在97.7%~104.6%范围,表明该方法可用于推广测定实际样品中的TPA浓度。