石墨烯复合材料的制备和性能研究(2)
致谢 20
参考文献 21
1. 前言
1.1 课题的目的和意义
石墨烯是由单层片状碳原子所构成的新型材料，在其被发现之前被认为仅是一个理论的理想模型，无法单独稳定地存在。而石墨烯第一次被发现是在2004年，由英国物理学家安德里海姆与康斯坦丁诺沃肖骆夫在实验分离得到的。因为石墨烯拥有良好的导电性、很大的比表面积、特殊的二文构型、化学性质十分稳定以及价格低廉等等优点，使之成为高性能复合材料研发的极佳载体。石墨烯复合产物非但能够保存石墨烯及其负载材料的特殊性质，并且两者将发生特别的协同效应，所以这种复合物的性能将会得到很大的优化。石墨烯的复合物在经由氧化或还原处理后可在复合物基体材料间产生纳米级的分散体系。此改良复合物在电学性能、热学性能及力学性能等方面具有很大的开发前景。所以石墨烯这一新型材料一经问世就成为了全球研究的焦点。
由于其超薄、超高机械强度的特点，石墨烯有着相当广阔的应用前景，特别是在一些特殊领域，例如特制新型防弹衣，机身更轻的大型客机等等。而石墨烯优秀的导电性能可被利用在微电子领域之中。在能源领域的开发上诸如巨型电容器、微型锂电池方面，石墨烯复合材料还能被利用来当做改性剂。石墨烯高比表面积，传导性高的优点还可被用来开发新型电极材料。最后这种新型材料还有可能成为硅的替代品，应用于将来微型计算机的开发。利用石墨烯构建的新型晶体管将使未来计算机凭借着碳元素高速电子迁移率产生更快的速度。
苯胺作为染料工业的重要中间体，其重要性不言而喻。以苯胺为原料能够制备诸如酸性嫩黄，金光红等等多种染料。在农药工业中，苯胺多为杀虫剂的原料。同时苯胺还是香料、胶片、塑料等等产品的中间体。真可谓遍及我们生活的各个角落。当今工业生产苯胺制品多利用硝基苯催化加氢工艺来制备苯胺。若我们能够利用石墨烯特殊的效应，将其利用在工业制备苯胺上，也许将增加反应产率，或者减少反应当中副反应的产生，亦有可能使生产条件更加便利。其中，任何一点获得进展都会为我们日常生活带来极大的便利。尽管人们已对石墨烯性质等进行了一定的研究，并获得了一些规律性的认识。但是，其中一大缺陷是它不适用于传统的大规模制备。这一缺陷如果不解决，石墨烯的工业化生产还将遇到一定的困难。本课题旨在设计、研究一种石墨烯复合材料，并将其应用于硝基苯还原制备苯胺。通过考察石墨烯上银负载量对硝基苯还原催化效率的影响以及其他硝基苯还原制苯胺的影响因素例如反应物浓度、反应时间、反应温度的作用来深刻认识石墨烯复合材料在此反应中使用原则。
1.2 课题的研究背景
石墨烯是由吹冰元碳环构成的两文周期蜂窝状点阵结构, 石墨烯可以被卷曲成零文的富勒烯 ,或是卷成一文的碳纳米管状结构亦可堆垛成为三文的石墨, 由此可见石墨烯是组成石墨材料的根本单位［1, 2］。有机物当中稳定结构最强的苯吹冰元环恰巧正是石墨烯的基本构型单位,当今最理想的2D纳米材料非它莫属。石墨烯结构中最理想的平面体系是吹冰边形点阵结构，石墨烯可被看作是被剥离出来的一层石墨分子，碳原子与碳原子之间都是sp2杂化，并贡献出一个多余p轨道上的电子而形成大π键，π电子可以自由转移，从而给予了石墨烯极强的导电性能［3］。所以2D石墨烯构型可被看作是组成一切sp2杂化碳材料的基本组成单位。
纳米级的金属粒子因为其具有特殊的量子隧穿、小尺寸效应、宏观量子效应、表面效应、量子尺寸效应与库伦堵塞、介电限域效应等［4］，金属纳米粒子在纳米器材、传感器、光学催化等方面具有广泛的应用前景。金、银、钯等金属纳米粒子通常被研究者拿来探讨，而对银纳米粒子的研究主要集中于用其修饰电极来研究其导电性能和电催化性能和作为表面增强拉曼光谱（SERS）增强基底的应用研究，也有报道称银纳米颗粒可以催化还原硝基苯化合物，表明了电子可以通过银金属介质传递给硝基取代化合物［5~6］。但以纳米银粒子为主体直接对芳香族硝基化合物的催化还原研究工作开展得较少。然而，硝基芳香族化合物催化还原制备芳胺是工业上重要的中间反应，芳胺等化合物也是重要的染料中间体，研制硝基还原制备芳胺反应的催化剂具有十分重要的理论和实际应用价值。据悉，石墨烯作为银的载体，有利于实现银纳米颗粒的分散，同时由于金属银颗粒的存在，石墨烯片层可以有效的分离开，防止重新团聚［7］。石墨烯、银的复合材料有可能是一种高效催化硝基苯还原制备苯胺的催化剂。
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