论文部分内容阅读
石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积构成的新型二维原子晶体，是其它维度碳材料的基本组成单位。自2004年首次报道石墨烯独立存在以来，因其特殊的结构和优异的性能，成为近年来物理、化学及材料科学等领域的研究热点。氧化石墨(GO)还原法制备石墨烯具有产率高、成本低和容易实现工业化等优点，是目前最主要的制备石墨烯的方法。GO在化学制备过程中，表面形成了大量的含氧基团，如羧基、羰基等，这些含氧基团为负载纳米粒子提供了成核位点，使其能够牢固地附着在氧化石墨片层表面。在还原纳米粒子的同时，氧化石墨表面的含氧基团也被同时还原，形成石墨烯(ReducedGrapheneOxide，RGO)，因此可一步得到石墨烯和纳米粒子的复合物。采用此方法制备的石墨烯/金属氧化物复合物已在催化、电化学、传感器、储能等领域展现出巨大的应用潜能。
Cu2O由于在可见光分解水制氢、染料降解、超导材料、太阳能电池及锂离子电池等方面的重要应用引起了人们的关注。但是Cu2O在潮湿的环境中很容易失去电子形成更稳定的CuO，从而限制了它的使用。石墨烯中的电子以离域形式存在，可在整个石墨烯片层内高速移动。因此，采用石墨烯为载体有望起到稳定Cu2O纳米颗粒的作用，从而能够发挥二者的优异性能。
本论文以氧化石墨(GO)和醋酸铜为前驱体，采用多元醇法制备了不同尺寸Cu2O纳米颗粒负载于石墨烯的Cu2O/RGO(ReducedGrapheneOxide，RGO)复合物，并以Cu2O/RGO复合物修饰电极，研究其在燃料电池、无酶葡萄糖传感器、同时检测抗坏血酸和多巴胺等方面的性能。主要研究内容和结果如下:
(1)以氧化石墨(GO)和醋酸铜为前驱体，采用多元醇-一缩二乙二醇(DEG)为溶剂和还原剂，制备了不同尺寸的Cu2O纳米颗粒负载于石墨烯的Cu2O/RGO复合物。当体系在140℃时加入蒸馏水后，直接将温度升至180℃时得到的是尺寸较大的Cu2O颗粒;随着保持时间的延长，负载于石墨烯的Cu2O颗粒尺寸逐渐变小;当保持时间为30分钟或更长时间时，Cu2O颗粒的尺寸减小到4nm，并且不再减小。由此提出了Cu2O纳米颗粒在石墨烯表面异相成核的生长机理，并采用过饱和度解释了不同尺寸Cu2O纳米颗粒在石墨烯表面的形成过程。
(2)以Cu2O/RGO复合物为催化剂，用循环伏安法和计时电流法研究了其在燃料电池阴极氧气还原中的性能。结果表明，4nm的Cu2O/RGO催化剂具有比大颗粒Cu2O/RGO催化剂更好的电催化活性;和商用Pt/C催化剂相比，其稳定性良好，具有优异的抗甲醇和耐CO毒化性能。该催化剂的氧气还原反应是2-电子和4-电子混合型过程。
(3)以4nmCu2O/RGO复合物为催化剂，用循环伏安法和计时电流法研究了其在无酶葡萄糖传感器中的性能。结果表明，该催化剂具有催化活性好、灵敏度高、响应时间短和抗干扰性好的特点。这些优异的性能是由于Cu2O纳米颗粒高的电催化活性以及RGO快速传递电子的协同作用而产生的。
(4)以4nmCu2O/RGO复合物为催化剂，用循环伏安法和微分脉冲伏安法研究了其在不同pH值的溶液中同时检测抗坏血酸(AA)和多巴胺(DA)的性能。结果表明，该催化剂在pH为6.0时达到最好检测效果，DA和AA的峰电位差为272mV，能将二者有效分离。