氮掺杂石墨烯-四氧化三铁的制备及催化性能研究-化学工程与技术专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 Classified Index: TB332 Dissertation for the Master Degree in Engineering Studies on synthesis and catalytic properties of nitrogen-doped graphene- Fe3O4 Candidate： Xu Huizhu Supervisor： Shang Yan Academic Degree Applied for： Master of Engineering Specialty： Chemical Engineering and Technology Date of Oral Examination： March, 2016 University： Harbin University of Science and Technology 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《氮掺杂石墨烯-四氧化三 铁的制备及催化性能研究》，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注 明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本 人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 《氮掺杂石墨烯-四氧化三铁的制备及催化性能研究》系本人在哈尔滨 理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研 究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发 表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 必威体育官网网址 □， 在 年解密后适用授权书。 不必威体育官网网址 □。 (请在以上相应方框内打√) 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 氮掺杂石墨烯-四氧化三铁的制备及催化性能研究 摘 要 石墨烯是一种新型纳米材料，它独特的结构使其具有卓越的电学性能和 物理性能，广泛应用在纳米电子学、电子传感器、晶体管、太阳能电池、催 化剂等多种领域。但石墨烯没有带隙、较为惰性、不易与其他材料复合。向 石墨烯中引入氮原子，形成氮掺杂石墨烯，可以改变其电子结构，并打开石 墨烯的带隙，从而使其具有更广泛的应用价值。 本文采用水热法合成氮掺杂石墨烯，分别以氨水和甲酰胺为氮源与氧化 石墨烯反应，生成氮掺杂石墨烯。通过调控反应条件，得到制备氮掺杂石墨 烯的最适条件，即：以氨水为氮源，氧化石墨烯与氨水的质量比为 1:24、反 应温度为 160 ℃、反应时间为 12 h 时，产品中氮原子数百分比为 9.08 %，氮 元素主要以吡啶氮的形式掺杂到石墨骨架当中；以甲酰胺为氮源，氧化石墨 与甲酰胺的质量比为 1:100、反应温度为 140 ℃、反应时间为 12 h 时，产品中 氮原子数百分比为 5.67 %，氮元素主要以吡咯氮的形式掺杂到石墨骨架当 中。以尿素为氮源，按照文献 42 的方法制得了氮掺杂石墨烯，并对其进行了 表征。结合氨水、甲酰胺、尿素这三种氮源的实验结果，对石墨烯氮掺杂机 理进行了推断。 氮掺杂石墨烯具有一定的催化性，为了在反应结束后便于将其从反应体 系中分离出来，可向氮掺杂石墨烯中引入磁性四氧化三铁，将其制成磁性复 合材料。本文利用水热法，以氧化石墨烯和尿素铁为原料、氨水为氮源、乙 二醇和氨水为还原剂、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为分散剂，在反应温度为 200 ℃条件下反应 12 h，一步反应生成氮掺杂石墨烯-四氧化三铁复合材料。 利用红外光谱，X 射线衍射光谱、X 射线光电子能谱、扫描电镜、透射电镜 等手段对制备的复合材料进行表征，结果表明，四氧化三铁嵌入在氮掺杂石 墨烯中，粒径大多小于 200 nm；X 射线光电子能谱显示，碳的原子百分比为 70.34 %，氮的原子百分比为 5.43 %，氧的原子百分比为 21.23 %，铁的原子 百分比为 3 %，氮元素主要以吡啶型为主。 用氮掺杂石墨烯-四氧化三铁复合材料作为甲苯氧化反应的催化剂，双氧 水为氧化剂，并从反应温度、反应时间、溶剂的种类、双氧水加入量、催化 I - 剂用量、催化剂种类这六个方面，来考察影响甲苯催化氧化的因素。其中， 反应温度 60 ℃、反应时间 12 h、采用冰醋酸为溶剂、甲苯与双氧水比例为 1:4、催化剂 0.2 g、催化剂吡啶氮含量最