紫精复合材料的制备与电化学表征

作     者：付梦钰 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨升宏

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 081705[工学-工业催化] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 

主      题：紫精 硫化镉纳米粒子 金纳米粒子 还原氧化石墨烯 紫精复合材料 

摘      要：紫精,即N,N’-二取代-4,4’-联吡啶阳离子盐,是一种由共轭吡啶基结合形成的有机功能材料,由于其独特的电致变色、富含自由基、生物敏感以及离子和局部共轭等特性,几十年来一直备受关注。但在实际应用中其导电性较差与响应时间较长的缺点仍需要改善,引入新型功能材料构建复合材料是提升紫精化合物的电化学性能的有效途径。紫精基复合材料通常可分为两类,一类是利用紫精作为优良电子受体的能力,引入具有独特催化性能的功能材料,例如无机半导体材料、纳米材料和生物酶材料等,提升复合材料整体的催化性能。另一类是通过引入导电聚合物、石墨烯、碳纳米管等具有高电导率的材料提升复合材料的导电率。本论文合成了一系列不同的新型紫精前驱体(FCP、T0)或紫精聚合物(PHV),并以此为基底,引入硫化镉纳米粒子(Cd S)、金纳米粒子(Au NPs)及还原氧化石墨烯(r GO)等具有不同电化学性质的无机材料,构建紫精复合材料。制备的复合材料利用电化学,光谱化学,扫描/透射电镜等多种手段进行了系统的分析与表征,明确了紫精复合材料制备的最佳条件,进一步拓展了其应用场景。具体工作如下:(1)良好光电化学性能PHV/Cd S杂化膜的制备与分析Cd S由于具有合适的带隙和光响应,已在先前的研究中被广泛用作半导电光催化剂,用于光催化产氢和光降解环境污染物。然而,光生电子的复合限制了Cd S的应用。为了提高Cd S的光活性效率,在本工作中,使用紫精聚合物(PHV)为基底制备了PHV/Cd S杂化膜。利用电化学、光谱化学和微观方法对杂化膜进行了分析,事实证明,PHV的引入可以很好地改善Cd S的光催化性能。还通过比率调控优化了杂化膜的光电化学活性,发现PHV∶Cd S=2∶1是杂化膜的理想比率。具有氧化还原活性的PHV/Cd S杂化膜将成为未来光催化应用的有力候选者。(2)FPV/Au NPs杂化膜的电化学一步合成与表征Au NPs作为光催化材料在光化学应用中受到广泛关注。Au NPs对多种过程具有很强的催化活性,并且可以在室温下催化。在此前的工作中我们通过紫精前驱体电化学一步制备紫精聚合物取得了不错的效果,因此本工作通过紫精前驱体(FCP)制备紫精聚合物(FPV),以FCP和HAu Cl电化学一步还原合成FPV/Au NPs杂化薄膜。采用不同的电化学、光谱化学和微观方法对杂化薄膜进行表征和分析,表明其具有良好的氧化还原性能和光催化性能。通过更改初始溶液的浓度比例,可以调节混合膜中Au NPs的尺寸,进而相应地调控光化学性能。由于氧化还原活性FPV可以作为电子受体接受来自Au NPs的光生电子,极大促进光生电子与空穴的有效分离和迁移,并抑制电子-空穴发生复合,杂化膜的光电化学性能显著提高。结果表明,通过适当配比制备杂化薄膜,可以成功的改善杂化薄膜的光学性能,因此FPV/Au NPs杂化膜是一种具有光催化应用潜力的新型光催化材料。(3)Poly T0/r GO杂化膜的电化学一步合成与表征石墨烯由于其优异的物理化学、电子、热和机械稳定性,已经被广泛的应用于各种电子器件的导电方面。在本工作中,我们首先通过紫精前驱体(T0)电化学一步还原制备了紫精聚合物(poly T0),并对其电化学性能进行了研究,研究表明紫精聚合物具有优异的氧化还原性能。然后我们将T0与GO混合后,通过电化学一步还原聚合,在聚合形成poly T0的同时,将GO还原为r GO并成功固定在聚紫精膜中,合成了poly T0/r GO杂化膜。这一过程是由π-π堆积以及带负电的GO和带正电的紫精的静电吸引力驱动的。所有的表征都表明poly T0/r GO杂化膜具有更优异的氧化还原性能和导电性能,这使其在储能器件中具有广阔的应用前景。