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摘 要

石墨烯以其特有的结构和优异的性质及在催化剂方面的潜力引起了人们的较高关注。本文探讨了石墨烯/ZIF-8复合材料负载钴基催化剂在苯甲醇催化氧化方面的应用，并通过表征手段对其物相组成，形貌等方面进行研究。

以氧化石墨，二甲基咪唑，硝酸锌为原料，采用机械搅拌法制备出石墨烯/ZIF-8前驱体，通过高温碳化等工艺得到石墨烯/ZIF-8碳化材料。钴基催化剂通过浸渍法制备。对所制备的样品进行XRD，FT-IR，SEM，和TEM表征。并且通过苯甲醇氧化为评价体系，考察催化剂的性能。结果表明，该催化剂的主要组成部分包括ZnO，CoO和Co₂O₃。ZIF-8颗粒能够均匀的分布在石墨烯的表面，并且该载体经过高温碳化之后，ZIF-8仍然能够保持着完整的形貌。ZIF-8的存在能够阻止石墨烯的自聚，能够对石墨烯起到一定的修饰作用。同时反应时间，催化剂用量和载体的碳化温度对催化剂的活性影响都有一定的影响。此外，催化剂在五次的重复使用之后还能保持良好的活性。

关键词：石墨烯 ZIF-8 苯甲醇 催化氧化

Preparation and Performance of Graphene /ZIF-8 Composites Supported Cobalt Catalysts

ABSTRACT

The unique structure,excellent properties of Graphene attract people's more and more attention. This paper discussed the graphene / ZIF-8 composite loaded cobalt-based catalysts for benzyl alcohol oxidation and discussed its phase composition, morphology and properties by varieties of characterizations.

Graphene/ZIF-8 carbonized material was prepared by high-temperature carbonization process and cobalt-based catalysts was prepared by impregnation method.The samples were analyzed by XRD, FT-IR, SEM, and TEM. We examined the performance of the catalysts by means of benzyl alcohol oxidation,.The results showed that the main components of the catalysts was ZnO, CoO and Co₂O₃. ZIF-8 particles could be uniformly distributed on the surface of graphene.After the high-temperature carbonization, ZIF-8 could be still maintained intact morphology.The polymerization of graphene could be prevented in the presence of ZIF-8. Reaction time,the amount of catalyst and the temperature of carrier carbonization had some influences on the activity of the catalysts. Furthermore, the catalyst could be maintained good activity after five repeated uses.

Keywords：Graphene, ZIF-8, Benzyl alcohol, Catalytic oxidation

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 石墨烯材料 1

1.2.1 石墨烯的优异性能 2

1.2.2 石墨烯复合材料的结构 3

1.2.3 石墨烯复合材料的分类 3

1.3 石墨烯无机纳米材料的制备 4

1.4 苯甲醇氧化 5

1.5 本文研究意义和内容 6

第二章 实验部分 7

2.1 催化剂的制备 7

2.1.1 氧化石墨的制备 7

2.1.2 ZIF-8/石墨烯碳化材料的制备 7

2.1.3 ZIF-8/石墨烯碳化材料制备钴基催化剂 8

2.2 催化剂的表征 8

2.2.1 X射线衍射(XRD) 8

2.2.2 红外光谱分析（FT-IR） 8

2.2.3 扫描电镜 (SEM) 8

2.2.4 透射电镜（TEM） 9

第三章 催化剂的表征结果与性能测试 10

3.1 催化剂的表征结果 10

3.1.1 X射线粉末衍射分析（XRD） 10

3.1.2 傅里叶变换红外光谱 11

3.1.3 扫描电镜（SEM） 11

3.1.4 透射电镜（TEM） 12

3.2 催化剂的性能测试 13

3.2.1 氧化石墨添加量对催化剂性能的影响 13

3.2.2 载体焙烧温度对催化剂性能的影响 14

3.2.3 反应温度对催化剂性能的影响 15

3.2.4 反应时间对催化剂性能的影响 16

3.2.5 反应物与催化剂的质量比对催化剂性能的影响 17

3.2.6 催化剂的重复使用 18

第四章 结论 19

参考文献 20

致谢 23

绪论

1.1 研究背景

2006年，Yaghi^[1]等人首次报道了类沸石材料ZIFs (zeolite imidazole frameworks)沸石咪唑酯骨架。不同于传统的沸石材料，沸石中的硅元素和铝元素被ZIFs中的锌离子和铝离子取代，氧被咪唑酯取代。水热稳定性和化学稳定性都很出色是ZIFs的优点。ZIF材料中，其骨架结构是由金属Zn或者Co与咪唑类物质相结合形成的尺寸均一，稳定性好的一类材料^[2]。ZIF-8是锌离子与甲基咪唑形成四面体结构的性能稳定的材料。Yaghi还报道了将ZIF-8在极性和非极性溶剂(如水、苯和甲醇等)的各自沸点温度下处理7天，在0.1 M和8 M的NaOH溶液中100 ℃处理24 h，ZIF-8的晶格结构未发生变化。ZIF-8性能稳定，比表面积大，是催化剂的优良的载体，具有很好的实际应用价值^[3]。

近几十年来，许多涉及到能源和环境问题都是以多孔碳材料为中心。对多孔碳材料的研究也日趋成为人们的关注焦点。碳材料不仅具有优良的导电性，导热性和化学稳定性，而且可用性十分广泛，在燃料电池，超级电容器，吸附剂（气体分离和存储）以及催化剂的载体等方面常常能看到它的身影^[4]。利用模板法能够有效制备多孔碳材料。硬模板法制备出的碳材料具有结构规整，孔径分布均匀，可调控等特点^[5]，因而广受人们的关注。本文拟采用以ZIF-8为硬模板制备Graphene/ZIF-8/Co₃O₄催化剂，并且研究其在催化氧化方面的性能。

1.2 石墨烯材料

21世纪初，曼彻斯特大学Geim^[6-8]等成功研制出了石墨烯材料，它特殊的性能和结构立刻引起了人们的广泛关注。导电性优异，比表面积大，出色的吸附能力及良好的导热性能也都是它的优点。然而和碳纳米管类似，其作为唯一原料制备某种产品很难成功，其独特的二维构造和优异性能成为了能够与其他材料体系共同制备新型复合材料的基础。在其众多的应用领域中，主要研究方向是基于石墨烯的复合材料的制备, 其在电子及生物材料和催化剂载体等众多领域都表现出了非常不错的性能, 具有非常广阔的应用前景。现如今，人们越来越重视作为前驱体的石墨烯在块状金属基复合材料中的应用。

1.2.1 石墨烯的优异性能

(1)电学特性

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