碳纳米管基复合物的制备及其光催化和电催化性质研究

论文摘要

在能源危机和环境污染的双重压力下,寻找新的、能够有效利用太阳光或高效处理环境污染物的催化剂是目前催化研究领域的重要课题。碳纳米管独特的中空管状结构、巨大的比表面积、优异的电子、机械和化学性质,使其无论作为助催化剂,或作为催化剂载体,或直接用作催化剂,都对催化反应表现出良好的效果,但到目前为止,直接把碳纳米管作为光催化剂或作为光催化剂载体用于处理环境污染物方面的研究还很有限。本论文基于环境污染物的处理与检测,探讨了多壁碳纳米管及其复合物的光催化活性和电催化活性。具体内容如下：1.探讨了多壁碳纳米管（MWNTs）作为助催化剂在光催化氧化过程中处理环境污染物的作用。分别用静电相互作用法和原位水热法制备了ZnO和MWNTs的复合物（ZnO/MWNTs）。在ZnO/MWNTs复合物中,MWNTs起着光生电子受体的作用,抑制了ZnO的光生电子和空穴的复合,使复合物显示出比ZnO更高的光催化活性。ZnO和ZnO/MWNTs复合物的光催化活性与其制备方法密切相关。不同方法制备的ZnO/MWNTs纳米复合物,因其表面态的不同而显示出不同的光催化活性。2.以探索MWNTs的可见光活性为目标,研究了MWNTs在处理环境污染物中的作用。MWNTs在降解环境污染物甲基橙（MO）和罗丹明B（RhB）时表现出既作吸附剂,又作光催化剂的双重作用。当把Pt、Ag纳米粒子负载到MWNTs上后,成功实现了电子在MWNTs和金属纳米粒子之间的有效传递,因而能显著提高MWNTs的可见光催化活性。Ag/MWNTs的可见光催化活性和其制备方法密切相关。热分解方式制备的Ag/MWNTs较光还原方式制备的Ag/MWNTs显示出更高的可见光活性,其中3.0 wt.%Ag/MWNTs具有低的成本和较高的可见光催化活性,有望代替Pt/MWNTs降解RhB。3.采用超声-回流方式利用反式-二羟基-5,10,15,20-四苯基卟啉锡（Ⅳ）（SnP）和MWNTs构建了SnP/MWNTs可见光催化剂。在SnP/MWNTs中,SnP为电子给体,而MWNTs为电子受体,SnP/MWNTs结合了SnP对可见光的强吸收能力和MWNTs优良的电子传输能力,因而对RhB和PNP的降解都显示出优异的可见光催化活性。4.探讨了MWNTs电极在环境污染物检测中的作用。通过轴向配位方式把5,10,15,20-四磺酸基苯基卟啉钴（Ⅱ）（CoTPPS）和氨基改性的MWNTs （MWNTs-NH2）配位形成MWNTs-CoTPPS复合物。将该复合物涂覆到玻碳电极（GCE）上制备出复合物修饰的GCE电极（MWNTs-CoTPPS/GCE）.该电极对NO的电催化氧化表现出高的催化活性、好的稳定性、宽的线性范围（6.6×10-6-2×10-2 mol L-1）、短的响应时间（<7s）和低的检测限（6.6×10-6 mol L-1）。该过程是一个不可逆的扩散控制过程,活化能为19.18 kJ·mol-1。5.除此之外,我们发展了一种简单的制备高质量银膜的方法。用PVP作为稳定剂,在温和条件下制备出Ag纳米粒子,用该Ag纳米粒子的乙醇溶液作为银源,通过溶剂的自然蒸发形成均匀、致密的Ag膜。该Ag膜对NaBH4还原对-硝基苯胺的反应具有高的催化活性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管
• 1.2.1 碳纳米管的结构
• 1.2.2 碳纳米管的特性及其应用
• 1.2.3 碳纳米管的合成
• 1.2.4 碳纳米管的定向生长
• 1.2.5 碳纳米管的纯化
• 1.2.6 碳纳米管的溶解性及其修饰
• 1.2.7 碳纳米管在催化领域中的应用研究
• 1.3 银纳米晶的合成及其催化活性研究
• 1.3.1 银纳米晶的合成
• 1.3.2 银纳米晶的形貌控制
• 1.3.3 银纳米晶的催化作用
• 1.4 本课题的研究思路及研究内容
• 第2章 ZnO/MWNTs纳米复合物光催化降解罗丹明B的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂与仪器
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.3 测试与表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 XRD分析
• 2.3.2 FTIR表征
• 2.3.3 TEM表征
• 2.3.4 光催化活性
• 2.3.5 制备方法对ZnO/MWNTs复合物光催化活性的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 多壁碳纳米管对甲基橙可见光降解的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂与仪器
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.3 测试与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 甲基橙溶液的工作曲线
• 3.3.2 MWNTs和Pt/MWNTs的HRTEM表征
• 3.3.3 MWNTs对甲基橙的吸附性能
• 3.3.4 MWNTs和Pt/MWNTs在可见光下降解甲基橙的光催化活性研究
• 3.3.5 光电化学测试
• 3.3.6 Pt/MWNTs的可见光催化降解甲基橙的机理
• 3.4 本章小结
• 第4章 银负载的多壁碳纳米管可见光光催化降解罗丹明B的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂与仪器
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 测试与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 罗丹明B溶液的工作曲线
• 4.3.2 MWNTs和Ag/MWNTs的FETEM表征
• 4.3.3 XPS表征
• 4.3.4 MWNTs对罗丹明B的吸附性能
• 4.3.5 Ag/MWNTs在可见光下降解罗丹明B的活性研究
• 4.3.6 Ag/MWNTs光催化降解罗丹明B的反应机理探讨
• 4.4 本章小结
• 第5章 卟啉锡敏化的多壁碳纳米管的可见光催化活性研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂与仪器
• 5.2.2 实验方法
• 5.2.3 测试与表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 SnP/MWNTs的FETEM表征
• 5.3.2 FTIR光谱分析
• 5.3.3 XPS分析
• 5.3.4 紫外-可见吸收光谱分析
• 5.3.5 SnP/MWNTs的可见光催化活性
• 5.3.6 光电化学行为
• 5.3.7 SnP/MWNTs可见光降解罗丹明B的机理
• 5.4 本章小结
• 第6章 卟啉钴修饰的多壁碳纳米管的电催化氧化NO活性研究
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 试剂与仪器
• 6.2.2 实验方法
• 6.2.3 测试与表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 FETEM表征
• 6.3.2 FTIR光谱分析
• 6.3.3 XPS分析
• 6.3.4 NO在修饰电极上的电催化氧化
• 6.3.5 扫描速度对NO在MWNTs-CoTPPS/GCE上的电化学氧化过程的影响
• 6.3.6 温度对NO在MWNTs-CoTPPS/GCE上的电化学氧化过程的影响
• 2浓度的敏感性'>6.3.7 MWNTs-CoTPPS/GCE对NaNO₂浓度的敏感性
• 6.4 本章小结
• 附Ⅰ章 高质量银膜的制备及其催化活性研究
• Ⅰ.1 引言
• Ⅰ.2 实验部分
• Ⅰ.2.1 试剂与仪器
• Ⅰ.2.2 实验方法
• Ⅰ.2.3 测试与表征
• Ⅰ.3 结果与讨论
• Ⅰ.3.1 银纳米粒子膜的物相分析
• Ⅰ.3.2 银纳米粒子膜的质量
• Ⅰ.3.3 银纳米粒子膜的形成机理
• Ⅰ.3.4 银纳米粒子膜对4-硝基苯胺还原反应的催化活性研究
• Ⅰ.4 本章小结
• 第7章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表论文情况
• 卷内备考表