石墨烯量子点的绿色制备及其在催化产氢中的应用

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石墨烯量子点(GQDs)是一种0维的碳纳米材料,除了具有较大的比表面积、优异的机械性能、良好的热稳定性和化学稳定性及环境友好性等特点外,还具有独特的荧光性能和光电性能。由于其优异的性能,石墨烯量子点在能源、光电、生物、催化等领域有着极大的应用潜力,受到各界的广泛关注。因此,找到一种绿色环保的制备高质量石墨烯量子点的绿色制备方法,并将其应用于各种领域具有重要的研究意义。(一)本论文分别以1,3,5-苯三酚和1,2,4-苯三酚为前驱体,采用绿色环保的一步水热合成法,制备得到了高质量的石墨烯量子点,通过对石墨烯量子点的微观形貌、元素结构、荧光性能进行表征,表明通过此种方法制备的石墨烯量子点具有优异的水溶性、良好的分散稳定性和稳定的光致发光(PL)性能;在365 nm的紫外灯下能发出绿色的荧光,在生物医学和催化等领域有着很好的应用潜力。(二)由于石墨烯量子点具有很好的分散性及稳定性,我们将其作为载体稳定过渡金属纳米粒子(TMNPs),制备TMNPs@GQDs催化剂,探索了其在催化储氢材料(氨硼烷、硼氢化钠等)水解产氢中的应用。研究结果表明:GQDs优良的分散性及稳定性保证了TMNPs的不聚集,起到了类似分散剂的作用,扩大了TMNPs的催化比表面积,提高了其催化性能。另外,GQDs稳定的Rh NPs、Ru NPs、Pt NPs在多种储氢材料催化水解中均表现卓越,在催化氨硼烷水解产氢过程中,Rh NPs的量为2×10-3mmol、反应温度控制在30°C时,其TOFs值可达到469 mmol H2·mmol-1cat·min-1。(三)在用Rh NPs@GQDs催化储氢材料产氢过程中,首次报道了一种使用“Zn2+/EDTA”作为控制产氢反应开启与关闭的化学“开-关”,通过在Rh NPs@GQDs催化储氢材料产氢过程中加入一定量的硝酸锌溶液,能够使产氢反应停止。我们对此进一步提出了其开关机理,即Zn2+附着于催化剂表面,覆盖了表面活性位点,使其无法催化储氢材料水解;而后在体系中加入EDTA溶液,EDTA与Zn2+之间具有强配位作用,夺取Zn2+并使这些活性位点恢复,产氢反应能重新进行。以上研究工作表明,石墨烯量子点在催化领域方面具有良好的应用前景。
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