射频等离子体处理对氧化石墨烯的影响

分别使用氢气和氩气射频等离子体放电处理氧化石墨烯溶液,快速的对氧化石墨烯进行还原,同时得到了三维多孔的表面形貌。结果显示,还原性气体(氢气)对氧化石墨烯的还原程度高于惰性气体(氩气)对其的还原;通过改变射频等离子体的放电功率,表明放电功率越大,氧化石墨烯的还原程度越高。用射频等离子体还原氧化石墨烯,方法更有效且环境友好,处理后得到的三维多孔形貌的还原氧化石墨烯有望进一步应用于超级电容器、锂电池、传感器等领域。     

石墨烯基气凝胶的制备及其超电容性能研究

采用氧化石墨烯自组装法制备出氧化石墨烯气凝胶(GOA),并采用高温(1100℃)氢气还原进一步制备石墨烯气凝胶(GA)。采用氮气吸附、FT-IR、元素分析和电化学测试等手段对其进行表征。结果表明:制备的两种气凝胶具有较高的BET比表面积(均约为870 m2·g-1);GOA表面具有丰富的含氧官能团,GA表面氧含量极低;GOA与GA的碳氧摩尔比分别为1.7和69.9;在低电流密度下(0.2 A·g-1),具有高表面官能度的GOA比电容达155.8 F·g-1,而低表面官能度的GA表现出高倍率的超电容性能。     

基于固/气反应的氧化石墨烯水热还原研究

【目的】对氧化石墨烯的水热还原过程进行系统研究。【方法】采用改进的水热装置,以乙醇为还原剂,通过固/气反应成功实现了水热条件下氧化石墨烯的还原,制备得到石墨烯。通过透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线近边吸收谱(XANES)和热重分析(TGA)对石墨烯材料的结构和性质进行了测试,探讨水热条件下乙醇蒸汽对氧化石墨烯的还原效果。【结果】研究结果表明,水热环境下的固/气反应还原能够有效地去除氧化石墨烯上的含氧基团,石墨烯的π网格结构得到很好的恢复。还原后的石墨烯材料比氧化石墨烯具有更为优异的热稳定性。【结论】该方法低成本、高效、环保,可用于石墨烯的大规模制备。     

反应条件对水合肼还原氧化石墨烯表面官能团还原效率的影响

石墨烯因具有特殊的纳米结构和优异的性能而成为当前的研究热点.实验综合考虑了氧化石墨烯与水合肼的质量配比、反应时间、反应温度和pH值四个因素,采用四因素三水平正交试验系统研究了反应条件对氧化石墨烯各基团还原效率的影响机制.傅里叶红外光谱和透射电子显微镜的结果表明:通过改变反应条件,氧化石墨烯中的主要官能团如羟基、羰基和环氧基均可得到不同程度的还原.进一步利用FT-IR图谱分析软件,采用基线法计算分析表明:(1)氧化石墨烯与水合肼的质量配比是影响还原程度的最主要因素;(2)还原羧基的最佳条件为氧化石墨烯与水合肼质量配比10∶9、反应时间80 min、反应温度100℃、pH值7;还原羟基与环氧基的最佳实验条件相同,均为氧化石墨烯与水合肼质量配比10∶8、反应时间80 min、反应温度100℃、pH值8;(3)可以通过控制反应条件达到采用水合肼选择性还原石墨烯表面羟基、环氧基及羧基的目的.研究结果将为研究化学还原氧化石墨烯机理及制备高性能石墨烯奠定基础.     

一种蜂窝状三维石墨烯的制备及表征

以天然鳞片石墨为原料,采用水热法和模板法,制备了蜂窝状的三维石墨烯,并对其形貌和结构进行了表征.利用Hummers法制备氧化石墨烯,将氧化石墨烯与聚苯乙烯微球制备液超声混合,进行水热反应得到氧化石墨烯包裹的聚苯乙烯微球模板.在弱碱性条件下,利用水合肼将聚苯乙烯微球表面的氧化石墨烯还原为石墨烯.之后,在强碱性条件下,利用甲苯去除聚苯乙烯微球模板,得到三维石墨烯结构.最后,经高温活化处理,得到蜂窝状的三维石墨烯.利用扫描电镜(SEM)和X线衍射(XRD)对制备的蜂窝状三维石墨烯进行了结构和形貌的表征.结果表明,本实验采用一锅法制备三维石墨烯,操作简单、成本低廉,制备的多孔三维石墨烯具有高比表面积、高导电率、强亲水性等优点,可广泛应用于导电复合材料、电池、化学和生物传感等领域.     

氮掺杂石墨烯的制备及其氧还原电催化性能

以三聚氰胺和氧化石墨烯(GO)为原料,经物理研磨和高温热解得到氮掺杂石墨烯(三聚氰胺-NG).扫描电子显微镜(SEM)测量显示,所制备的三聚氰胺-NG厚度和表面褶皱较掺杂前略有增加.X射线光电子能谱(XPS)表明,在三聚氰胺-NG中氮元素以吡咯N、吡啶N和石墨N 3种形式掺杂在石墨烯中,它们的比例分别是14.5%、24.5%和61.0%.同时运用循环伏安法(CV)和旋转圆盘电极技术(RDE)测试了三聚氰胺-NG在碱性介质中的氧还原电催化活性.结果表明,与商业石墨烯和由聚吡咯为氮源制备的氮掺杂石墨烯(ppy-NG)相比,三聚氰胺-NG具有较高的电催化活性和较正的氧还原起始电位(-0.09V),并且电催化还原氧气时主要为4电子反应.由于其较高的氧还原性能和较低的成本,三聚氰胺-NG在碱性燃料电池阴极电催化剂中有良好的应用前景.     

石墨烯介导铁还原菌耦合针铁矿体系降解四氯化碳

研究了氧化石墨烯(GO)、还原氧化石墨烯(rGO)及双氧水改性还原氧化石墨烯(rGO(H₂O₂))3种石墨烯介导铁还原菌耦合针铁矿体系的铁还原过程以及该体系强化降解四氯化碳的机理。结果表明：不同石墨烯均能有效促进铁还原菌还原针铁矿和铁还原菌耦合针铁矿体系对四氯化碳的降解,其中rGO的促进作用最为显著,其机理主要与石墨烯表面的醌类等基团具有更强的电子传递能力、吸附态Fe(Ⅱ)浓度高及能生成还原能力强的次生铁矿蓝铁矿等因素有关。     

膨胀石墨氧化制备石墨烯

在氧化还原法制备石墨烯的工艺中,氧化石墨的制备尤为重要。以大鳞片石墨制备的膨胀石墨为原料,采用改进的Hummers法制备氧化程度高、可剥离度高的氧化石墨稀,研究中温氧化时间、氧化剂用量及高温反应对氧化石墨烯结构、形貌及氧化程度的影响,对样品进行扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征。结果表明:硫酸与膨胀石墨用量比为75 mL∶1 g,高锰酸钾与石墨用量比为4 g∶1 g,35℃水浴反应24 h,制备得到氧化程度高的大片氧化石墨烯。该方法工艺简单、反应温度低,无须进行高温反应,可以解决大鳞片石墨制备氧化石墨烯难度大,氧化效率低的问题。     

三维炭/还原氧化石墨烯纳米片的制备及其电化学性能

采用水热合成法,将间苯二酚甲醛树脂涂覆在还原氧化石墨烯片层上,经冷冻干燥及炭化后构筑三维炭/还原氧化石墨烯纳米片。使用SEM、TEM、FTIR、XPS等对样品的形貌与结构进行表征,利用循环伏安、恒流充放电及电化学阻抗法测试了样品的电化学性能。结果表明,间苯二酚甲醛树脂成功将还原氧化石墨烯片包覆,二者构筑的三维炭/还原氧化石墨烯复合纳米片厚度为25nm;当循环伏安测试扫描速率为20mV/s时,三维炭/还原氧化石墨烯纳米片电极材料的比电容分别为还原氧化石墨烯与间苯二酚甲醛树脂炭电极材料相应值的1.8和2.8倍;在0.2A/g的充电电流密度下,三维炭/还原氧化石墨烯纳米片电极材料比电容为154.4F/g。     

压力促进氧化石墨烯水热还原反应的机理

研究水相中氧化石墨烯(graphene oxide,GO)在敞口容器和密闭容器中的水热还原过程,发现氧化石墨烯还原后更容易通过超声破碎成小片.原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)和动态光散射(dynamic lightscattering,DLS)结果表明,密闭容器中产生的压力不仅能促进氧化石墨烯的还原,而且可使其在超声处理后破碎形成尺寸更小、分布更窄、适合生物医药应用的石墨烯纳米小片.红外(infrared,IR)光谱结果表明,加压和常压下还原的氧化石墨烯的C=O伸缩振动峰和O—H弯曲振动峰没有明显区别,但加压下环氧键C—O—C伸缩振动峰明显减弱.据此推测,氧化石墨烯水热还原的机理是压力促进环氧键转化为C—OH,这一开环反应为水分子参加加成反应,加压有利于反应的进行.开环反应产物进一步以CO_2形式脱除而形成缺陷,氧化石墨烯在超声处理后沿缺陷断裂,从而得到尺寸更小的石墨烯片.     

Nitrogen-doped graphene nanosheets as high efficient catalysts for oxygen reduction reaction

It is of great significance in exploring alternative catalysts to platinum (Pt)-based materials for oxygen reduction reaction (ORR),because this reaction is invariably involved in various fuel cells and metal-air batteries.We herein reported the nitrogen doped graphene nanosheets (NGNSs) with pore volume of as high as 3.42 m 3 /g and investigated their potential application as ORR catalysts,it was demonstrated the NGNSs featured high activity,improved kinetics and excellent long-term stability for ORR.The NGNSs were successfully used as cathode catalysts of microbial fuel cells (MFCs) and performed even better than the commercial Pt/C (Pt 10%) catalysts at the maximum power output.     

Carbon-nitrogen/graphene composite as metal-free electrocatalyst for the oxygen reduction reaction

Sheet-like carbon-nitrogen (CNx)/graphene composites with a high content of nitrogen (x≤0.15) was prepared by the carbonization of polypyrrole (PPy)/reduced-graphene-oxide (rGO) composite at 600-800°C. We used rGO instead of graphene oxide (GO) sheets as a template and a substrate to immobilize PPy since the PPy/GO composite agglomerates easily because of the dehydration of excess oxygen-containing groups on the GO sheets during the drying process. The dried PPy/rGO intermediate and its derived CNx/graphene products retain their high dispersion and loose-powder features. The as-prepared CNx/graphene composites have a total nitrogen content of about 10 at% and their nitrogen state is mainly of pyridinic and graphitic type. CNx/graphene composites exhibit excellent performance for the oxygen reduction reaction (ORR) in terms of electrocatalytic activity, stability and immunity towards methanol crossover and CO poisoning, suggesting their potential as metal-free electrocatalysts for the ORR.     

高分子链模型对两亲性二嵌段共聚物系统均匀溶液/胶束转变的影响

利用格子自洽场方法, 通过计算系统相图和比热研究在两亲性二嵌段共聚物溶液体系中高分子浓度和高分子链模型对胶束形成的影响. 结果表明, 随着高分子浓度的增加, 胶束出现的温度逐渐升高. 相对于可直接折返分子链模型, 不可直接折返分子链模型增加了体积排斥效应, 有利于均匀溶液/胶束转变的出现, 但在一定程度上限制了胶束聚集程度的增加.     

Ptn石墨烯体系氧还原反应的第一性原理计算

通过构建单层六方石墨烯(单空位)超晶胞结构, 用基于密度泛函理论的第一性原理研究Pt 石墨烯体系中反应前O₂的吸附(脱附)势 垒及反应过程中H₂O分子和OH的脱附势垒, 并研究Pt团簇石墨烯体系中（Pt₂石墨烯和Pt₄石墨烯）氧还原反应(ORR)的中间产物及其吸附能的变化过程, 给出ORR的最优路径.     

煤基活性炭制备及其电催化应用研究进展

煤炭是世界上储量最为丰富的化石燃料之一,是制造多孔碳、纳米碳、碳质复合材料和石墨烯的主要原料。燃料电池是一种通过化学反应将化学燃料直接转化为电能的装置,它不受卡诺循环限制,具有高效率、高功率密度和环境友好等特点,有着巨大的应用前景。但其阴极氧还原反应(cathodic oxygen reduction reaction, ORR)动力学非常缓慢,需要在催化剂的作用下加速其反应。现有的催化剂主要是贵金属Pt,但Pt资源储量少、成本高、稳定性差,限制了燃料电池的商业化应用。近年来的研究表明,碳基材料是最有希望替代Pt的催化剂材料。基于此,对近年来煤基多孔碳的制备方法进行了综述,并在此基础上阐述了以煤基活性炭为基体的燃料电池用氧还原电催化剂的研究进展。     

氢燃料电池阴极氧还原反应电催化剂研究进展

氢燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的能量转换装置,具有转换效率高、噪声低、无污染、原料多样且用途广泛等优点,但其阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)动力学缓慢,极大地限制了其大规模应用与发展．因此,研发高效、耐用兼具经济性的ORR电催化剂是当前研究热点之一．在众多科研工作者的努力下,关于ORR电催化剂的研究工作已取得了许多重要突破性进展．本综述系统介绍了ORR反应机制和目前3种主流类别的ORR电催化剂(贵金属、非贵金属、碳基)的研究进展,着重分析了不同催化剂体系的性能与优缺点,并探讨了高性能ORR电催化剂的合成策略及其未来的发展方向．      

微结构对纳米碳纤维氧阴极还原性能影响

在制备微结构可控纳米碳纤维基础上,研究纳米碳纤维微结构对氧气电催化还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)性能的影响.利用化学还原法合成了Pt电催化剂,研究了纳米碳纤维微结构对Pt/CNFs电催化剂电催化性能的影响.研究发现,相对于基于活性炭的电催化剂,载于纳米碳纤维的电催化剂具有较高的ORR活性;同时,基于板式纳米碳纤维的电催化剂表现出最高的ORR活性.     

ZIF-derived Co–N–C ORR catalyst with high performance in proton exchange membrane fuel cells

Metal and nitrogen-doped carbon (M-N-C) materials have been considered as the most promising non-precious metal oxygen reduction (ORR) catalysts to replace expensive Pt catalysts. Due to high Fenton catalytic activity of Fe element and the resulting instability, Co-based N–C (Co–N–C) catalysts without Fenton catalytic activity should be a worthier ORR catalyst being explored. Although the high ORR activity of Co–N–C catalyst has been demonstrated in aqueous half-cell tests, their performance under PEMFC working condition is still far away from that of state-of-the-art Fe–N–C catalysts. In this study, a high-performance Co–N–C catalyst was synthesized by one-step pyrolyzing Co-doped ZIF-8 (zeolitic imidazolate framework-8) particles in-situ grown on the high-surface-area KJ600 carbon black with high electronic conductivity. The resulting Co–N–C catalyst exhibited high intrinsic ORR activity, fast mass transfer rate and high electronic conductivity, and thus yielded a remarkable peak power density of 0.92 W cm^-2 in H₂–O₂ PEMFC, which is comparable to state-of-the-art Fe–N–C catalyst. This strategy is helpful to synthesize highly active M-N-C ORR catalysts with improved mass transfer and electric conductivity.     

不同微结构纳米碳纤维电极的氧还原性能

采用催化化学气相沉积法制备了3种不同微结构的纳米碳纤维,利用高分辨透射电子显微镜和比表面测试等表征手段对纳米碳纤维的微结构和织构进行了分析;采用电化学循环伏安法对不同微结构纳米碳纤维电极的氧还原反应起始电位、峰电位和峰电流等参数进行了考察,并与石墨电极的氧还原性能进行了比较。结果表明:纳米碳纤维具有良好的氧化还原性能,微结构对纳米碳纤维的氧还原反应性能有着重要影响,这可能与不同微结构的纳米碳纤维具有不同的比表面和孔结构以及表面化学性能有关;同时纳米碳纤维也具有较好的电容性能。