基于MOF/石墨烯复合材料的电催化性能研究

来源 :武汉理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:pengxiubin
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电催化作为电化学的一个重要分支,在能源储存、环境检测、生物医学等方面得到重要应用。电催化反应中最重要的影响因素是电极材料。金属有机框架材料(MOFs)是一种新型的多孔材料,不但具有高比表面积和孔隙率,而且种类多样,易于调控。此外,MOFs的金属中心离子通常具有良好的电化学活性,因此MOFs可作为电极材料应用在电化学反应中。然而MOFs结构不稳定,容易坍塌,导电性差,使得其在电化学上的应用受到限制。氧化石墨烯(GO)的表面因含有多种含氧基团,因此可通过化学反应与其它材料复合,并且GO被还原成石墨烯后具有优异的导电性能和力学性能。基于此,本论文采用溶剂热法,将MOFs和GO进行复合,得到了一系列基于同种配体(均苯三甲酸,H3BTC)、不同金属中心的MOF-GO复合材料。与此同时,本论文利用电化学方法将复合材料中的GO还原成石墨烯(ERGO),并用于电催化反应中。这样不但解决了MOFs结构不稳定的问题,还使其导电能力得到增强。本论文的具体研究内容如下:(I)以Cu-MOF和Cu-MOF-GO作为电极修饰材料,通过差分脉冲伏安法(DPV)研究了修饰电极Cu-MOF-ERGO/GCE对邻苯二酚(CT)和对苯二酚(HQ)的同步检测。结果显示,当GO掺杂的质量百分比为5%,电聚合圈数为5圈,磷酸缓冲溶液的pH为6时,Cu-MOF-ERGO-5/GCE对同步检测CT和HQ表现出较宽的检测范围和较低的检测限,检测范围分别为0.1-566μM和0.1-476μM,检测限均为0.1μM;(II)采用H3BTC作为有机配体,改变无机金属中心和GO的质量合成了M-MOF(M=Cu、Fe、Ni、Al)以及M-MOF-GO-n(n表示添加的GO质量占反应物所有固体质量的比例),采用XRD、FT-IR、Raman和SEM等测试手段对复合材料进行结构和形貌的表征。通过电聚合的方式将复合材料修饰到电极表面,并经循环伏安法电化学还原后,得到M-MOF-ERGO-n/GCE。通过线性伏安扫描(LSV)测试方法对修饰电极在N2饱和的0.5 M H2SO4溶液中的析氢行为进行测试。实验结果表明石墨烯对析氢反应的过电位和塔菲尔斜率有明显影响。一定量的石墨烯掺杂能降低MOF的析氢过电位和塔菲尔斜率,提升MOF的催化性能。不同的金属中心,催化析氢性能差别显著,其中效果最好的为Fe-MOF-ERGO-2/GCE,析氢电位和过电位分别为-0.100 V和-0.214 V(j=10mA/cm2),塔菲尔斜率为115 mV/dec。M-MOF-ERGO/GCE在对CT和HQ的实样检测中表现出了良好的检测性能,并且该电极具有良好的抗干扰性、稳定性和重现性;此外,掺杂GO后,M-MOF-ERGO/GCE拥有较低的析氢过电位和较快的析氢速率,催化性能得到提升。M-MOF-ERGO/GCE对电催化剂的研究具有一定的指导意义。
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