基本信息
- 项目名称：
- C60 空心纳米壳的制备及应用研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 纳米技术与燃料电池、生命化学是当今前沿的三大学科。纳米技术的介入为燃料电池及生命化学提供了广泛的发展空间。C60是一种新型的碳材料，其各种形貌决定了不同的物理化学性质，因此对C60的形貌控制引起了广泛研究。C60一维和二维纳米结构具有显著的光电性质，但C60三维纳米结构尚未有报道。本项目利用超声技术，首次制备出了C60三维空心纳米壳。利用电化学方法在其表面分别沉积Pt纳米颗粒，并测试其对甲醇氧化反应具有很高的活性，由此可以将其应用于直接甲醇燃料电池（DMFCs），提高电池的输出功率，有助于解决现存的能源问题。进一步制得的Hb/Au/C60电极对氧气还原的电催化性能优良，对于生物传感器的开发具有重要意义。
- 详细介绍：
- C60分子由于具有高度的对称性、显著的共轭π-体系、独特的物理化学性质而受到了高度重视及广泛研究。以C60分子进一步组装的纳米材料作为一种新型的碳材料，其形貌与材料的物理化学性质紧密相关，因此对C60的形貌控制的制备引起了广泛研究。本论文利用超声技术，选择间二甲苯和乙腈两种不互溶的溶剂，首次成功地制备了C60的空心纳米壳。研究表明，超声功率、C60间二甲苯溶液的浓度、间二甲苯与乙腈溶剂的体积比对C60纳米材料的组装有影响。由此可以对C60空心纳米壳的形成机理进行推测。选择扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等对所制得的C60的空心纳米壳的形貌及结构进行表征。C60空心纳米壳的外直径为400-500 nm，内直径为300-400 nm，壁厚约100 nm。TEM结果表明其为空心结构。X射线衍射光谱(XRD)、傅里叶红外光谱检测结果表明其为C60分子组成的单晶结构。利用电泳方法制备了均匀的C60的空心纳米壳的膜电极，并利用C60空心纳米壳表面积大的特点，用电沉积方法在所制备的C60的空心纳米壳电极表面沉积了铂（Pt）纳米颗粒，SEM结果表明Pt纳米颗粒在C60空心纳米壳表面分散均匀，大小一致，其粒径为10-20 nm。测试此Pt/C60电极对甲醇氧化的催化性质，结果表明，其对甲醇氧化的催化性能明显提高，有利于制备成新型的直接甲醇燃料电池（DMFCs）。接着在C60空心纳米壳表面均匀沉积了粒径为20-30 nm的金（Au）纳米颗粒，并研究了血红蛋白（Hb）在Au/C60电极上的直接电化学，Au/C60为Hb提供更有利于电子转移的电化学环境，对Hb和电极之间的直接电子转移具有促进作用。测试此Hb/Au/C60复合电极对氧气还原的催化作用，结果显示出其良好的电催化性能，为将其应用于生物传感器提供了理论参考
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：把C60分子组装成表面积大的纳米材料，作为金属催化剂的良好载体，并研究其应用价值。 思路： 1、 由于C60组装成的纳米结构形貌的不同会引起不同的物理与化学性质，因此本研究寻求制备C60三维纳米材料的最佳方法—超声方法，并对C60纳米材料的形貌及性质进行表征、检测。 2、 用电沉积方法在其上面分别沉积Pt与Au纳米颗粒，测试所制备的复合纳米电极对甲醇氧化与氧气还原的电催化性质。
科学性、先进性及独特之处
- 本研究结合了纳米材料与燃料电池、生命科学等领域的研究热点，特色： 1、 首次利用超声技术成功制备了C60空心纳米壳，是对富勒稀纳米材料研究领域的补充和发展，对新型材料的开发和应用具有重要意义。 2、 将此新型材料应用于能源与生物学方面，开发其应用价值，具有创新性和先进性。 3、 研究涉及到制备、表征及应用的系统研究，揭示了材料结构和性能的关系，具有很好的理论性与科学性。
应用价值和现实意义
- 本课题的研究内容涉及了纳米技术与燃料电池、生命科学领域，意义： 1、 所研究的制备方法操作简便，产品纯度与产率高，制备成本低，解决了C60纳米材料制备中过程烦琐、耗能高等问题。 2、 燃料电池在能源使用方面具有重大价值，将此空心壳应用于燃料电池的电极催化剂的载体，对于解决现存的能源问题具有重要意义。 3、 生物传感器可应用于医疗、医药等领域，所制备的复合电极可以提高疾病的诊断与治疗效率。
学术论文摘要
- 本论文利用超声技术，选择间二甲苯和乙腈溶剂，首次成功地制备了C60的空心纳米壳。研究表明，超声功率、C60间二甲苯溶液的浓度等对C60纳米材料的组装有影响。选择扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等对所制得的C60的空心纳米壳的形貌及结构进行表征。C60空心纳米壳的外直径为400-500 nm，内直径为300-400 nm。TEM结果表明其为空心结构。X射线衍射光谱(XRD)、傅里叶红外光谱检测结果表明其为C60分子组成的单晶结构。用电沉积方法在所制备的C60的空心纳米壳电极表面沉积了铂（Pt）纳米颗粒，SEM结果表明Pt纳米颗粒在C60空心纳米壳表面分散均匀，大小一致，粒径为10-20 nm。测试此Pt/C60电极对甲醇氧化的催化性质，结果表明，其对甲醇氧化的催化性能明显提高，有利于制备成新型的直接甲醇燃料电池。接着在C60空心纳米壳表面均匀沉积了粒径为20-30 nm的金（Au）纳米颗粒，并研究了血红蛋白（Hb）在Au/C60电极上的直接电化学与此Hb/Au/C60复合电极对氧气还原的催化，结果显示出其良好的电催化性能，为将其应用于生物传感器提供了理论参考。
获奖情况
- 1、“C60空心纳米壳的制备及研究”，化学学报，2009年，已接收 2、2009年4月 本作品获得第十七届本校“京师杯”课外学术科技作品竞赛 一等奖 3、2009年6月 本作品获得第五届 “挑战杯”首都大学生课外学术科技作品竞赛 特等奖
鉴定结果
- 无
参考文献
- 1、 C60一维纳米材料的制备 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、 C60二维纳米材料的制备 Shin, H.;Yoon, S.; Min, S.; Tang, Q.; Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 693 3、 C60纳米材料的组装研究 Norifumi, F.; Taketomo,Y.; Masayoshi, A.; Seiji, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 1257. 4.其它三维空心纳米壳材料的制备研究。 Yu, H.; Yu,J.; Liu, S.W. Chem.Mater.2007,19,4327. 5、电极在燃料电池与生物传感器方面的应用研究 Vinodgopal K.;Haria,M.;Meisel, D.Nano Lett. ,2004,4,415. Wang, J. X.; Li, M. X. J. Electronanal. Chem. 2004, 573, 197.
同类课题研究水平概述
- 富勒烯(C60)自从1985年英国科学家 H. W. Kroto, R. F. Curl和美国科学家R.E.Smalley 等在激光蒸发石墨的实验中被发现以来，一直是人们研究的热点。。由于C60分子的独特的物理化学性质，基于富勒烯聚集态结构的研究引起了广泛的关注，对于C60新的纳米材料─C60一维纳米棒、管、线、二维六角片等，几年来国内外许多研究组进行了深入研究。 制备C60纳米材料的方法主要有化学气相沉积、激光烧蚀、电化学模板等。Krätschmer等人于1990年用蒸发C60甲苯溶液的方法制备了微米级的C60纳米棒。之后，刘辉彪等人利用氧化铝模板制备了C60内径为5-200nm的C60纳米管。2002年，Miyazawa等人研究出了一种新的制备方法---液液界面沉积法，成功制备出了粒径约为250nm的单晶C60纳米线与纳米管。2006年，有研究小组首次通过在C60甲苯溶液中控制性滴加乙醇溶剂快速制备出了高纯度的单晶C60纳米棒。此法提供了一种快捷、简单、高效的制备技术，为C60纳米材料的合成领域开辟了新的道路。 随着C60一维纳米材料的制备技术的不断发展，C60二维纳米材料也得到了研究者们的关注。2006年，Briseno等人用水汽蒸发的方法制备了C60二维六角片。但迄今为止，C60三维纳米结构还尚未报道。目前， 北京师范大学化学学院范楼珍教授研究小组正在进行C60三维纳米材料的制备及研究，并将其与电化学方法相结合，并测试其电催化性质，将其应用于燃料电池及生物传感器等研究领域。
