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基本信息

項(xiàng)目名稱：
C60 空心納米殼的制備及應(yīng)用研究
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
納米技術(shù)與燃料電池、生命化學(xué)是當(dāng)今前沿的三大學(xué)科。納米技術(shù)的介入為燃料電池及生命化學(xué)提供了廣泛的發(fā)展空間。C60是一種新型的碳材料，其各種形貌決定了不同的物理化學(xué)性質(zhì)，因此對(duì)C60的形貌控制引起了廣泛研究。C60一維和二維納米結(jié)構(gòu)具有顯著的光電性質(zhì)，但C60三維納米結(jié)構(gòu)尚未有報(bào)道。本項(xiàng)目利用超聲技術(shù)，首次制備出了C60三維空心納米殼。利用電化學(xué)方法在其表面分別沉積Pt納米顆粒，并測(cè)試其對(duì)甲醇氧化反應(yīng)具有很高的活性，由此可以將其應(yīng)用于直接甲醇燃料電池（DMFCs），提高電池的輸出功率，有助于解決現(xiàn)存的能源問題。進(jìn)一步制得的Hb/Au/C60電極對(duì)氧氣還原的電催化性能優(yōu)良，對(duì)于生物傳感器的開發(fā)具有重要意義。
詳細(xì)介紹：
C60分子由于具有高度的對(duì)稱性、顯著的共軛π-體系、獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)而受到了高度重視及廣泛研究。以C60分子進(jìn)一步組裝的納米材料作為一種新型的碳材料，其形貌與材料的物理化學(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)，因此對(duì)C60的形貌控制的制備引起了廣泛研究。本論文利用超聲技術(shù)，選擇間二甲苯和乙腈兩種不互溶的溶劑，首次成功地制備了C60的空心納米殼。研究表明，超聲功率、C60間二甲苯溶液的濃度、間二甲苯與乙腈溶劑的體積比對(duì)C60納米材料的組裝有影響。由此可以對(duì)C60空心納米殼的形成機(jī)理進(jìn)行推測(cè)。選擇掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)等對(duì)所制得的C60的空心納米殼的形貌及結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。C60空心納米殼的外直徑為400-500 nm，內(nèi)直徑為300-400 nm，壁厚約100 nm。TEM結(jié)果表明其為空心結(jié)構(gòu)。X射線衍射光譜(XRD)、傅里葉紅外光譜檢測(cè)結(jié)果表明其為C60分子組成的單晶結(jié)構(gòu)。利用電泳方法制備了均勻的C60的空心納米殼的膜電極，并利用C60空心納米殼表面積大的特點(diǎn)，用電沉積方法在所制備的C60的空心納米殼電極表面沉積了鉑（Pt）納米顆粒，SEM結(jié)果表明Pt納米顆粒在C60空心納米殼表面分散均勻，大小一致，其粒徑為10-20 nm。測(cè)試此Pt/C60電極對(duì)甲醇氧化的催化性質(zhì)，結(jié)果表明，其對(duì)甲醇氧化的催化性能明顯提高，有利于制備成新型的直接甲醇燃料電池（DMFCs）。接著在C60空心納米殼表面均勻沉積了粒徑為20-30 nm的金（Au）納米顆粒，并研究了血紅蛋白（Hb）在Au/C60電極上的直接電化學(xué)，Au/C60為Hb提供更有利于電子轉(zhuǎn)移的電化學(xué)環(huán)境，對(duì)Hb和電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移具有促進(jìn)作用。測(cè)試此Hb/Au/C60復(fù)合電極對(duì)氧氣還原的催化作用，結(jié)果顯示出其良好的電催化性能，為將其應(yīng)用于生物傳感器提供了理論參考

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  • C60 空心納米殼的制備及應(yīng)用研究
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作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

目的：把C60分子組裝成表面積大的納米材料，作為金屬催化劑的良好載體，并研究其應(yīng)用價(jià)值。 思路： 1、 由于C60組裝成的納米結(jié)構(gòu)形貌的不同會(huì)引起不同的物理與化學(xué)性質(zhì)，因此本研究尋求制備C60三維納米材料的最佳方法—超聲方法，并對(duì)C60納米材料的形貌及性質(zhì)進(jìn)行表征、檢測(cè)。 2、 用電沉積方法在其上面分別沉積Pt與Au納米顆粒，測(cè)試所制備的復(fù)合納米電極對(duì)甲醇氧化與氧氣還原的電催化性質(zhì)。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

本研究結(jié)合了納米材料與燃料電池、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，特色： 1、 首次利用超聲技術(shù)成功制備了C60空心納米殼，是對(duì)富勒稀納米材料研究領(lǐng)域的補(bǔ)充和發(fā)展，對(duì)新型材料的開發(fā)和應(yīng)用具有重要意義。 2、 將此新型材料應(yīng)用于能源與生物學(xué)方面，開發(fā)其應(yīng)用價(jià)值，具有創(chuàng)新性和先進(jìn)性。 3、 研究涉及到制備、表征及應(yīng)用的系統(tǒng)研究，揭示了材料結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，具有很好的理論性與科學(xué)性。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

本課題的研究?jī)?nèi)容涉及了納米技術(shù)與燃料電池、生命科學(xué)領(lǐng)域，意義： 1、 所研究的制備方法操作簡(jiǎn)便，產(chǎn)品純度與產(chǎn)率高，制備成本低，解決了C60納米材料制備中過程煩瑣、耗能高等問題。 2、 燃料電池在能源使用方面具有重大價(jià)值，將此空心殼應(yīng)用于燃料電池的電極催化劑的載體，對(duì)于解決現(xiàn)存的能源問題具有重要意義。 3、 生物傳感器可應(yīng)用于醫(yī)療、醫(yī)藥等領(lǐng)域，所制備的復(fù)合電極可以提高疾病的診斷與治療效率。

學(xué)術(shù)論文摘要

本論文利用超聲技術(shù)，選擇間二甲苯和乙腈溶劑，首次成功地制備了C60的空心納米殼。研究表明，超聲功率、C60間二甲苯溶液的濃度等對(duì)C60納米材料的組裝有影響。選擇掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)等對(duì)所制得的C60的空心納米殼的形貌及結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。C60空心納米殼的外直徑為400-500 nm，內(nèi)直徑為300-400 nm。TEM結(jié)果表明其為空心結(jié)構(gòu)。X射線衍射光譜(XRD)、傅里葉紅外光譜檢測(cè)結(jié)果表明其為C60分子組成的單晶結(jié)構(gòu)。用電沉積方法在所制備的C60的空心納米殼電極表面沉積了鉑（Pt）納米顆粒，SEM結(jié)果表明Pt納米顆粒在C60空心納米殼表面分散均勻，大小一致，粒徑為10-20 nm。測(cè)試此Pt/C60電極對(duì)甲醇氧化的催化性質(zhì)，結(jié)果表明，其對(duì)甲醇氧化的催化性能明顯提高，有利于制備成新型的直接甲醇燃料電池。接著在C60空心納米殼表面均勻沉積了粒徑為20-30 nm的金（Au）納米顆粒，并研究了血紅蛋白（Hb）在Au/C60電極上的直接電化學(xué)與此Hb/Au/C60復(fù)合電極對(duì)氧氣還原的催化，結(jié)果顯示出其良好的電催化性能，為將其應(yīng)用于生物傳感器提供了理論參考。

獲獎(jiǎng)情況

1、“C60空心納米殼的制備及研究”，化學(xué)學(xué)報(bào)，2009年，已接收 2、2009年4月 本作品獲得第十七屆本?！熬煴闭n外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽 一等獎(jiǎng) 3、2009年6月 本作品獲得第五屆 “挑戰(zhàn)杯”首都大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽 特等獎(jiǎng)

鑒定結(jié)果

無

參考文獻(xiàn)

1、 C60一維納米材料的制備 Wang, L.; Liu, B. B.; Yu, S. D.; Yao, M. G.; Liu, D. D.; Hou, Y. Y.; Cui, T.; Zou, G. T. Chem. Mater. 2006, 18, 419. 2、 C60二維納米材料的制備 Shin, H.;Yoon, S.; Min, S.; Tang, Q.; Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 693 3、 C60納米材料的組裝研究 Norifumi, F.; Taketomo,Y.; Masayoshi, A.; Seiji, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 1257. 4.其它三維空心納米殼材料的制備研究。 Yu, H.; Yu,J.; Liu, S.W. Chem.Mater.2007,19,4327. 5、電極在燃料電池與生物傳感器方面的應(yīng)用研究 Vinodgopal K.;Haria,M.;Meisel, D.Nano Lett. ,2004,4,415. Wang, J. X.; Li, M. X. J. Electronanal. Chem. 2004, 573, 197.

同類課題研究水平概述

富勒烯(C60)自從1985年英國科學(xué)家 H. W. Kroto, R. F. Curl和美國科學(xué)家R.E.Smalley 等在激光蒸發(fā)石墨的實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)以來，一直是人們研究的熱點(diǎn)。。由于C60分子的獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，基于富勒烯聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的研究引起了廣泛的關(guān)注，對(duì)于C60新的納米材料─C60一維納米棒、管、線、二維六角片等，幾年來國內(nèi)外許多研究組進(jìn)行了深入研究。 制備C60納米材料的方法主要有化學(xué)氣相沉積、激光燒蝕、電化學(xué)模板等。Kr?tschmer等人于1990年用蒸發(fā)C60甲苯溶液的方法制備了微米級(jí)的C60納米棒。之后，劉輝彪等人利用氧化鋁模板制備了C60內(nèi)徑為5-200nm的C60納米管。2002年，Miyazawa等人研究出了一種新的制備方法---液液界面沉積法，成功制備出了粒徑約為250nm的單晶C60納米線與納米管。2006年，有研究小組首次通過在C60甲苯溶液中控制性滴加乙醇溶劑快速制備出了高純度的單晶C60納米棒。此法提供了一種快捷、簡(jiǎn)單、高效的制備技術(shù)，為C60納米材料的合成領(lǐng)域開辟了新的道路。 隨著C60一維納米材料的制備技術(shù)的不斷發(fā)展，C60二維納米材料也得到了研究者們的關(guān)注。2006年，Briseno等人用水汽蒸發(fā)的方法制備了C60二維六角片。但迄今為止，C60三維納米結(jié)構(gòu)還尚未報(bào)道。目前， 北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院范樓珍教授研究小組正在進(jìn)行C60三維納米材料的制備及研究，并將其與電化學(xué)方法相結(jié)合，并測(cè)試其電催化性質(zhì)，將其應(yīng)用于燃料電池及生物傳感器等研究領(lǐng)域。
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