功能化富勒烯及石墨烯的催化反应性能研究

A group of non-metal heterogeneous catalysts based on graphene and fullerene will be developed. The applicant want to prepare graphene oxide (GO) from commercial graphite using Hummers' method in concentrated acid solution and synthesize hydroxyl group functionalized C60 fullerene (C60 fullerenol) in concentarted NaOH aqueous solution using C60 as starting materials. The as-prepared GO and C60 fullerenol would then be grafted by orgaic molecular catalyst, which would be carried out using the reaction of hydroxyl group from GO and C60 fullerenol between methoxysilane from the orgainc molecular catalyst. Then, the functionalized graphene and functionalized C60 fullerene can be used to catalyzed some orgainc reactions using the hydroxyl group or organic molecular as the active catalytic sites. Both graphene and C60 fullerene are carbon nanomaterials with special electronic properties,graphene has well electronic conductivity and fullerene is an excellent electronic acceptor, which may be have important effects on the catalytic activity of the functionalized graphene and functionalized C60 fullerene.The functionalized graphene and C60 fullerene catalysts will be easy seperation and recycle due to the poor solubility of these catalysts in most organic solvents.Further more, the functionalized graphene and C60 fullerene are environmental benign without any contamination because of its non-metal feature.

本项目准备发展一类基于石墨烯和富勒烯材料的非金属多相催化剂。申请人准备以商品石墨粉和C60富勒烯为起始原料，首先在强酸或强碱性环境中，将其分别氧化，制备出氧化石墨烯和羟基化富勒烯材料。接着，以氧化石墨烯或者羟基化富勒烯表面的羟基官能团为连接基团，使之与连接有硅甲氧基的有机小分子发生反应，从而制备有机小分子修饰的石墨烯和富勒烯材料。申请人打算将这类用表面羟基或者有机小分子功能化的石墨烯和富勒烯材料用于催化部分重要的有机化学反应。石墨烯和富勒烯分别是由碳原子组成的一种二维和零维的碳纳米材料，它们分别具有良好的导电性能和接受电子的能力，这些独特的电学性质将最终对功能化后所形成材料的催化性能产生影响。由于功能化石墨烯和富勒烯在有机溶剂中溶解性能较差，因而可以很方便的实现催化剂的分离和循环利用。功能化石墨烯和富勒烯材料由于不含金属，因而不会对环境造成污染，是一种环境友好的催化剂。

近些年来，石墨烯作为一类廉价易得的非金属碳材料越来越受到科学家的青睐。人们将天然鳞片状石墨粉经过化学加工改造，制备成了各种化学修饰的功能化石墨烯材料。经过化学改性后，原本的石墨烯片层sp2杂化轨道结构被部分的打乱，这极大地改变了石墨烯片层的化学反应能力和电子结构。和天然的石墨烯相比，功能化后的石墨烯材料表面增加了许多活化官能团结构，这将为其和外界分子发生相互作用提供作用位点。同时，功能化石墨烯材料的电子结构也可通过外界杂原子或官能团的引入而得到调节。这些改变将为石墨烯基材料带来许多新奇的性能。基于以上想法，本项目主要研究制备了杂原子掺杂的石墨烯基材料，并探讨了其在气体传感和催化领域的应用。首先，我们以天然鳞片状石墨粉为原料，经过Hummers'方法将石墨粉氧化，先制备出了氧化石墨烯。接着再让氧化石墨烯与含N、Si原子的1-甲基-3-（3-三甲氧基硅基）丙基咪唑氯反应，将其接枝在氧化石墨烯表面制得复合物，最后在惰性气氛中高温热分解制备出N、Si双原子掺杂的石墨烯片层。在传感器性能研究中发现，该氮-硅共掺杂石墨烯材料在室温下即对二氧化氮气体显示出优异的传感响应能力。另外，我们还将氧化石墨烯与三苯基膦混合并在惰性气氛中高温热分解，制备出了P原子掺杂的石墨烯材料。该材料对氨气显示出了优异的室温传感响应能力，不仅响应信号大，而且信号稳定。其次，本项目还通过离子热聚合的办法制备了1,4-对苯二氰的三聚体CTF框架材料。该类材料含有大量的π-共轭结构，具有良好的导电能力。同时，该材料中大量的三嗪环结构使得它非常类似于g-C3N4材料。基于此，我们尝试了该材料在光催化降解有机污染物方面的性能，发现无定型的CTF框架材料对亚甲基蓝显示出了优异的可见光催化降解能力。综上所述，本项目主要以石墨烯、富勒烯等碳材料为基础，经过简单的化学修饰调节其结构和性能，并探讨其在催化、传感领域的应用潜能。