納米復合材料界面電子轉移對光、電催化性能影響的研究.pdf

1、納米復合材料作為一類重要的功能材料，是經(jīng)由不同結構單元在微納尺度或分子水平上復合或組裝所形成的一類新型材料。通過復合，各結構單元在性能互補的基礎上，可以產(chǎn)生協(xié)同效應，從而賦予納米復合材料獨特的性質。納米復合材料因其獨特的結構特點，已廣泛應用于人們生活的各個領域。在催化應用領域，納米復合材料在催化反應過程中，常常與反應物之間或自身各結構單元之間發(fā)生界面電子轉移的過程，探究納米復合材料在催化反應過程中界面電子的轉移形式，對于調控其催化性能至

2、關重要。
　　基于以上考慮，本論文以催化應用為導向，設計合成了一系列具有獨特結構和優(yōu)異性能的新型納米復合材料，系統(tǒng)探究了一系列納米復合材料在催化反應過程中的光、電驅動的界面電子轉移過程，旨在建立納米復合材料界面電子轉移與催化性能的關系。論文取得的主要研究結果如下：
　　首先，我們以碳基納米復合催化劑中碳碳結構單元之間的界面電子轉移為研究對象，將天然生物質模板作為原料，合成了“樹葉狀”氮摻雜石墨烯與納米碳纖維復合材料（CNF@

3、NG），結構分析發(fā)現(xiàn)，氮摻雜石墨烯與納米碳纖維高度復合，有利于二者間的界面電子轉移，保證電子通過納米碳纖維快速轉移至氮摻雜的石墨烯催化活性位點。此外，納米碳纖維支撐的三維多孔結構有助于反應物質在材料表面的傳輸。在此基礎上，我們將CNF@NG納米復合材料應用于燃料電池陰極氧還原電催化反應，表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的催化活性、單一的選擇性和超高的穩(wěn)定性。
　　其次，我們以碳基納米復合催化劑中碳與過渡金屬硫化物之間的界面電子轉移為研究對象，將一

4、整張氮摻雜石墨烯與納米碳纖維復合碳紙（CPs）作為基底，在其表面修飾超薄MoS2納米片，得到了三維多孔MoS2-CPs復合碳紙材料。結構分析發(fā)現(xiàn)，由于結構單元MoS2與CPs之間的強相互作用限制了MoS2納米片的生長，得到的MoS2具有超薄且富含大量缺陷的特點，這有利于MoS2活性邊緣的暴露，同時，MoS2與CPs之間的強相互作用有助于電子在界面間快速轉移，促進催化反應的進行。此外，CPs的三維多孔結構有利于反應物質和產(chǎn)物的擴散，很大程

5、度上提高了催化反應的效率。在此基礎上，我們將MoS2-CPs復合碳紙作為大面積工作電極應用于電催化制氫反應中，研究發(fā)現(xiàn)無論在酸性和堿性電解液中，MoS2-CPs均表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化制氫活性，并展現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性能。
　　為了證明以尿素熱縮聚形成的氮化碳模板合成石墨烯基納米復合材料的普適性，我們以廢紙（如打印紙、濾紙、牛皮紙、餐巾紙、廢報紙和掛歷紙）為原料，以尿素作為唯一添加劑，一步熱處理得到了表面類“樹枝狀”碳紙復合材料（GC

6、CP）。結構分析發(fā)現(xiàn)，GCCP表面特征為氮摻雜石墨烯和納米碳纖維覆蓋微米碳纖維復合結構，形成了一種類“樹枝狀”的多級分層納米復合結構，該復合結構賦予了GCCP表面超疏水特性，可以直接用于油水分離應用，且分離效率超過95％；同時，高度石墨化的GCCP展現(xiàn)了優(yōu)異的導電性能，可以直接作為導電碳紙或復合制成柔性電極使用；此外，GCCP碳紙在一系列電催化反應中表現(xiàn)出了較好的催化活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性。
　　此外，我們還以介晶復合氧化物催化劑中介