化学综合实验教学方案的探索与设计：碳纳米片的制备及其氧还原性能
碳纳米材料的制备与性能研究
碳纳米材料的制备与性能研究近年来，碳纳米材料作为一种具有各种应用价值和科学研究前景的新型材料，备受研究人员的关注。
碳纳米材料主要包括碳纤维、纳米碳管、石墨烯等，其中纳米碳管是目前应用最广泛的碳纳米材料之一。
本文将就碳纳米材料的制备和性能研究进行探讨和分析。
一、碳纳米材料的制备方法目前制备碳纳米材料的主要方法包括化学气相沉积法、电弧放电法、激光热解法、化学还原法等。
其中，化学气相沉积法是一种比较成熟的制备方法，它可以制备出较高质量的纳米碳管和石墨烯。
化学气相沉积法的基本原理是，在高温下通过气相反应得到纳米碳管或石墨烯。
具体过程是将一定浓度的气体溶液通过加热蒸发器中的热设备加热至一定温度，使其发生热分解，生成碳质的反应物，然后通过一系列的反应和处理，最终得到所需要的碳纳米材料。
除了化学气相沉积法外，电弧放电法也是一种制备纳米碳管的常用方法。
它的基本原理是将两条碳棒连接电极后放电，在高温高压下，碳电极表面会出现碳纳米管和石墨烯等碳化物。
二、碳纳米材料的性能研究碳纳米材料具有许多独特的物理和化学性质，其中最为突出的是其高比表面积和良好的电导性和热导性。
这些特殊的性质决定了碳纳米材料在电子学、光电学、催化、传感等领域有广泛的应用前景。
以纳米碳管为例，它具有很强的力学性能和机械性能，可以用来制备高性能材料，并被广泛应用于高效发电材料、能源存储、传感器等领域。
此外，纳米碳管还具有很高的导电性和导热性，适合应用于功能化材料和生物医学领域。
石墨烯也是当前研究的热门对象，它具有单层结构、高比表面积和优异的电子输运性质等优点，适用于新型电子器件和光电器件。
同时，石墨烯的热导率很高，有望在制备高导热材料、电路散热等方面发挥重要作用。
三、碳纳米材料的未来发展随着碳纳米材料的研究深入，人们不断发掘其新的性质和应用价值，未来碳纳米材料的应用领域将会更加广阔。
目前已经出现了一系列的新型碳纳米材料，如二维纳米碳簇、纳米多孔碳等，这些新型碳纳米材料将会对下一步的碳纳米材料研究和应用产生不可估量的影响。
利用化学技术合成新型碳纳米材料的方法与技巧
利用化学技术合成新型碳纳米材料的方法与技巧引言：碳纳米材料是一种结构特殊、具有特殊性能和广泛应用前景的材料，其中以碳纳米管和石墨烯最为著名。
合成新型碳纳米材料对于开发先进材料、推动科技创新具有重要意义。
本文将介绍一些常见的利用化学技术合成新型碳纳米材料的方法与技巧。
一、溶剂热法合成碳纳米材料溶剂热法合成碳纳米材料是一种简单有效的方法。
该方法首先将碳源与溶剂混合制备溶胶，然后利用溶剂中的高温和高压条件，通过化学反应或热分解制备碳纳米材料。
有机物可作为混合溶剂和碳源，如乙酸乙酯、异丙醇、甘油等。
利用适当的实验条件，如控制反应温度和时间，还可以调控制备材料的形貌和结构。
此外，添加适量的助剂可对碳纳米材料的合成过程起到重要的辅助作用。
二、热解法合成碳纳米材料热解法合成碳纳米材料是通过高温处理碳源，将其分解生成碳纳米材料。
这种方法通常需要一定的反应温度和时间，以确保碳源充分分解，形成高质量的碳纳米材料。
一种常用的热解方法是化学气相沉积（CVD）。
在CVD中，通过加热气氛中的碳源，使其蒸发并在基底表面沉积，形成碳纳米管或石墨烯等碳纳米材料。
在热解过程中，合适的反应器和载体对于合成碳纳米材料的结构和性能具有重要影响。
此外，控制反应气氛的成分和流速，以及合适的反应温度和时间，也是合成高品质碳纳米材料的关键。
三、氧化石墨烯的还原方法石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维晶体结构。
氧化石墨烯（GO）是石墨烯氧化后的产物，其性质和应用受到氧官能团的影响。
为了恢复石墨烯的电子结构和性能，需要进行还原处理。
以下介绍两种常见的还原方法。
一种是化学还原法，通过将氧化石墨烯与还原剂（如还原糖、还原气体等）反应，去除氧官能团，实现对石墨烯结构的还原。
另一种是热还原法，通过高温热处理氧化石墨烯，将氧官能团从石墨烯表面去除，以恢复其原始的电子结构和性能。
四、其它合成方法及技巧除了上述方法，还有一些其它合成方法和技巧可以用于制备新型碳纳米材料。
新型碳纳米材料的制备与应用
新型碳纳米材料的制备与应用碳纳米材料是一种具有特殊结构和优异性能的纳米材料，在许多领域都具有广泛的应用前景。
本文将介绍新型碳纳米材料的制备方法以及其在能源存储、催化剂和生物医学等领域的应用。
一、新型碳纳米材料的制备方法1. CVD法（化学气相沉积法）CVD法是一种常用的制备碳纳米材料的方法。
通过在高温下将碳源和催化剂气体反应，生成碳纳米材料。
该方法可以得到高纯度、高结晶度的碳纳米材料，并可以控制其形貌和尺寸。
2. 自组装法自组装法是一种将有机分子自行组装成期望结构的方法。
通过选择适当的有机分子和溶剂，使其在特定条件下自组装形成碳纳米材料。
该方法制备的碳纳米材料具有高度有序性和可预测性。
3. 电化学法电化学法利用电化学过程中的离子传输和电子转移来合成碳纳米材料。
通过控制电解液的成分和电流密度，可以制备出具有特殊结构和性能的碳纳米材料。
二、新型碳纳米材料在能源存储中的应用1. 锂离子电池新型碳纳米材料可以作为锂离子电池的负极材料，具有高容量、高循环稳定性和快速充放电性能。
其在电池领域的应用将改善电池储能能力和延长电池的使用寿命。
2. 超级电容器碳纳米材料的高比表面积和电导率使其成为理想的超级电容器材料。
其在能量密度和功率密度上的优异性能使得超级电容器成为一种具有广泛应用前景的能量存储设备。
三、新型碳纳米材料在催化剂中的应用1. 氧还原反应催化剂碳纳米材料可以作为高效的氧还原反应催化剂，用于燃料电池和金属空气电池等能源装置中。
其活性位点丰富、催化活性高和稳定性好，可以提高能源装置的转化效率和使用寿命。
2. 氢化反应催化剂新型碳纳米材料还可以作为氢化反应的催化剂，用于催化剂合成和有机合成等领域。
其可调控的孔结构和丰富的官能团使其具有较高的催化活性和选择性。
四、新型碳纳米材料在生物医学中的应用1. 药物载体碳纳米材料可以作为药物的载体，用于药物的传输和释放。
其具有较大的表面积和孔结构，可以增加药物的负载量，并实现药物的缓慢释放，提高药物疗效。
碳纳米材料的制备及其性能研究
碳纳米材料的制备及其性能研究碳纳米材料是一种新型的材料，在材料科学领域中备受瞩目。
其制备工艺、组成结构以及性能等方面具有很高的研究价值和开发潜力。
本篇文章将介绍一些关于碳纳米材料的制备技术和性能研究的最新进展。
一、碳纳米材料的制备方法一、碳化学气相沉积(CVD)法：这种方法是将特定的碳源经高温裂解，制成纳米级的碳纳米颗粒，然后将其沉积在基板上。
该方法制备出的纳米碳粉末不仅具有良好的晶体结构和优秀的导电性能，其表面还可以进行化学修饰，以满足不同用途的需求。
二、电弧放电法：电弧放电法是指在特定条件下，利用电弧放电高温条件将金属碳化物等原材料中的碳离子析出，形成纯净的碳纳米颗粒。
该方法具有不同的变体，可以用不同的输送物料和不同的反应环境来使所得样品的品质、结构和性质有所不同。
三、化学还原法：化学还原法是在水溶液或有机溶液中，将碳纳米材料的前体物还原成纳米粒子的一种方法。
有机合成中常用的还原剂为聚乙烯醇，这种方法制备的碳纳米颗粒较小，可用于能源储存、生物医学等具有广阔前景的领域。
二、碳纳米材料的性能碳纳米材料在材料科学中具有优异的性质，其应用领域非常广泛。
以下是碳纳米材料的性能特点。
一、高比表面积：碳纳米材料拥有高比表面积，极大地增加了其与周围环境的接触面积，因此也更容易发生物理、化学反应。
二、优异的电学性质：碳纳米材料的导电、导热性能均非常优异，可作为优良的电子器件材料。
三、优异的机械性质：由于其高比表面积，碳纳米材料有优异的强度、硬度、韧性等机械性质。
三、碳纳米材料的应用由于其高比表面积、优异的电学性质和机械性质，以及可控的化学修饰，碳纳米材料已经应用于多个领域。
一、能源储存：由于碳纳米材料的电学性质和表面化学性质非常优异，因此可以制成优良的电极材料和催化剂，用于蓄电池、超级电容器等方面的能源储存。
二、生物医学：碳纳米材料具有较好的生物相容性，可用于生物医学领域的药物载体、细胞成像等应用。
三、环境污染防治：碳纳米材料还可用于空气和水中的污染物吸附和去除，具有很好的环保价值。
碳纳米材料的制备与性能表征研究
碳纳米材料的制备与性能表征研究碳纳米材料是一类具有极小尺寸（一般小于100纳米）的碳材料，在纳米材料领域中具有广泛的应用前景。
碳纳米材料具有优异的机械、电子、光学等性能，因此成为研究的热点之一。
本文将介绍碳纳米材料的制备方法以及性能表征研究。
一、碳纳米材料的制备方法碳纳米材料的制备方法主要包括物理法、化学法和生物法三种。
下面将分别介绍三种方法的原理和制备方法。
1. 物理法物理法制备碳纳米材料主要有热蒸发、离子束雕刻和等离子体刻蚀等方法。
其中，热蒸发法是目前最常用的方法之一。
热蒸发法的制备步骤如下：首先将碳源（如碳纳米管、石墨等）放置在钨丝上，然后加热钨丝，使碳源升温并蒸发。
蒸发碳原子进入低压下的高纯度惰性气体（如氩气、氦气）中，碳原子会自聚形成碳纳米颗粒。
2. 化学法化学法制备碳纳米材料主要包括化学气相沉积法、化学还原法、溶胶-凝胶法等。
其中，化学气相沉积法是一种高效、高纯度、可控性好的方法。
化学气相沉积法的制备步骤如下：将预先制备好的金属或金属氧化物催化剂（如铁、镍、钴或氧化镁、氧化钴）在载体上均匀涂敷，然后在高温气氛下进行碳源气体和惰性气体的反应。
反应中，由于催化剂的存在，碳源气体会在催化剂表面生成碳纳米管或球形碳纳米粒子等结构。
3. 生物法生物法制备碳纳米材料主要有两种方法，即生物还原法和植物提取法。
生物法制备碳纳米材料利用了生物体内的代谢酶、细胞结构和环境等因素，可以实现低成本、高效、环保等优点。
生物还原法的制备步骤如下：首先将微生物或其代谢产物与碳源反应，通过还原作用生成碳纳米颗粒。
二、碳纳米材料的性能表征研究制备好的碳纳米材料需要进行性能表征，以了解其结构与性能之间的关系。
主要包括物理、化学和表面分析方法等。
1. 物理分析物理分析方法主要包括透射电镜、扫描电镜、能谱分析、傅里叶变换红外光谱等。
透射电镜可以观察到碳纳米材料的形态和大小，扫描电镜可以观察到纳米材料的表面形态和结构，能谱分析可以研究材料表面成分和结构等。
超级电容器中纳米碳材料的制备及性能研究
超级电容器中纳米碳材料的制备及性能研究超级电容器作为一种新型的电化学储能设备，在尺寸小、充放电速度快、容量大等方面具有独特的优势。
而纳米碳材料作为一种重要的材料，其在制备超级电容器方面的应用也备受关注。
本文将围绕超级电容器中纳米碳材料的制备及性能研究展开探讨。
一、纳米碳材料的制备方法（1）碳纳米管的制备方法：碳纳米管是一种空心的碳结构，通过选择适当的碳源和催化剂，利用化学气相沉积（CVD）或电弧放电法等方法制备。
（2）石墨烯的制备方法：石墨烯是由单层碳原子组成的二维晶体结构，制备方法包括机械剥离法、化学气相沉积法、化学剥离法等。
（3）多壁碳纳米管的制备方法：多壁碳纳米管是由多层碳纳米管组成的结构，制备方法包括化学气相沉积法、电弧放电法等。
二、纳米碳材料在超级电容器中的应用（1）碳纳米管的应用：碳纳米管具有高比表面积和良好的电导率，作为超级电容器的电极材料具有很好的应用前景。
同时，碳纳米管还具有良好的循环稳定性和高倍率性能，能够满足高频率充放电的需求。
（2）石墨烯的应用：石墨烯具有极高的比表面积和优异的电化学性能，作为超级电容器的电极材料也备受关注。
同时，通过改变石墨烯的层数、形态等因素，还可以调控其电化学性能，进一步优化超级电容器的性能。
（3）多壁碳纳米管的应用：多壁碳纳米管具有较高的比表面积和优良的电导率，作为超级电容器的电极材料也具有应用前景。
同时，多壁碳纳米管还具有良好的循环稳定性和高倍率性能，能够满足高频率充放电的需求。
三、纳米碳材料在超级电容器中的性能研究（1）比电容的研究：比电容是评价超级电容器性能的重要指标。
研究发现，纳米碳材料作为电极材料可以显著提高比电容，并且其比电容随着纳米碳材料的比表面积的增加而增加。
（2）循环性能的研究：循环稳定性是超级电容器长周期使用的重要性能指标。
研究发现，纳米碳材料作为电极材料具有较好的循环稳定性，在长周期使用后仍能保持较高的能量密度和功率密度。
（3）倍率性能的研究：倍率性能是用来评价超级电容器在高频率充放电时的能力。
制备纳米碳材料及其应用研究
制备纳米碳材料及其应用研究随着科学技术的进步，纳米材料在各个领域得到了广泛的应用。
其中，纳米碳材料是一类十分重要的纳米材料，在化学、物理、生物等方面都有着广泛的应用前景。
本文将介绍纳米碳材料的制备方法及其应用研究进展。
一、纳米碳材料的制备方法1.物理法制备物理法制备纳米碳材料是通过物理手段对粉末或块材料进行加工得到的，其中最常见的方法是爆炸法和机械法。
爆炸法是利用高温高压作用下物料的化学反应产生剧烈爆炸，从而在极短时间内形成纳米级别的碳材料。
机械法则是通过高速磨擦等力学效应使得大块碳材料逐渐磨成纳米级别的碳。
2.化学法制备化学法制备纳米碳材料是通过特定的化学反应去合成纳米级别的碳材料。
其中最常见的化学法制备方法有水热法和热解法。
水热法是指利用水溶液或有机溶剂溶解原料，然后在特定条件下进行加热和高压反应，从而制备纳米碳材料。
热解法是让某些含碳物质在高温或高压条件下进行分解反应，从而制备纳米级的碳材料。
二、纳米碳材料的应用研究纳米碳材料有着广泛的应用前景，在以下几个方面有着重要的作用。
1. 新型电池材料纳米碳材料以其高的比表面积和电学特性，成为电池材料的理想选择。
其具有出色的导电、导热能力和化学稳定性，可应用于锂离子电池、超级电容器、钠离子电池等。
2. 催化剂载体纳米碳材料具有高平均孔径、高比表面积、高孔隙率等特性，从而成为一种理想的催化剂载体。
利用其制备催化剂能大幅度提高催化剂的催化性能。
3. 生物医药领域纳米碳材料在生物医药领域广泛应用，可作为药物载体、组织工程材料、生物传感器等。
同时，还有一些研究表明，纳米碳材料在肿瘤治疗方面有着潜在的应用前景。
4. 功能材料纳米碳材料可用于制备分子筛、多孔材料、电容器、纳米传感器、光催化材料等多种功能材料，广泛应用于环境保护和新能源领域。
三、纳米碳材料的发展前景目前，纳米碳材料在各个领域都有着广泛的应用前景，特别是在能源、生物医药和环境保护方面。
同时，随着制备技术和应用研究的不断深入，纳米碳材料将继续成为材料科学领域的重要研究方向。
纳米炭材料制备及其电及电化学性能分析
纳米炭材料制备及其电及电化学性能分析随着科技的快速进步，纳米技术已被广泛应用于各个领域。
纳米炭材料作为一种重要的纳米材料，具有优异的电与电化学性能，在储能和催化等领域具有广泛的应用前景。
纳米炭材料制备技术的发展，也为其性能的提高提供了更好的条件。
本文将介绍纳米炭材料的制备方法，并重点分析其电及电化学性能。
一、纳米炭材料的制备方法1.化学气相沉积法（CVD法）CVD法是纳米炭材料制备中常用的一种方法。
其制备过程是利用化学气相沉积的原理，将炭源气体（如甲烷、乙烯等）传输到反应室中，在高温下进行热解或热分解，生成纳米级碳材料。
此法制备出的炭材料较纯净，纳米尺寸较为均一，晶格结构也较好。
但其制备过程中需要高温和高真空条件，成本较高。
此外，CVD 法生成的纳米炭材料颗粒较小，容易聚集，难以控制和分散。
2.热解法热解法分为两种类型：一种是热裂解，另一种是碳化热解。
其中，热裂解是指将有机原料在一定温度下裂解为气态产物，然后得到大量碳微粒，通过控制不同的反应条件，可以制备出形态多样、粒径不同的碳材料。
而碳化热解则是指将有机物质在一定的高温下进行氧化反应，生成纯度高、晶格结构好的纳米炭材料。
此法制备出的炭材料粒径较大，容易分散，但成品纯度较低。
3.物理气相沉积法（PVD法）物理气相沉积法是通过高温下将有机物质或金属离子中的纳米碳粒子沉积在金属衬底表面制备纳米碳膜。
此法制备出的炭材料薄膜较薄，晶格结构较好，但成本较高。
二、纳米炭材料的电及电化学性能分析纳米炭材料具有极好的电性能和电化学性能，被广泛用于储能和催化领域。
下面将从二者分别进行探讨。
1.电性能纳米炭材料具有良好的导电性质和特殊的介电性质。
其高比表面积和小尺寸效应，使其具备极高的电容率、电导率，以及超高比电容等特殊电学性质。
利用这些性质，可以制备出高性能的电池、超级电容器等电子器件，实现储电效果优化。
2.电化学性能纳米炭材料还具有优秀的电化学性质，可被用于催化、电氧化、光电化学等领域。
碳纳米材料的制备和应用
碳纳米材料的制备和应用碳纳米材料是指尺寸在1至100纳米之间的碳材料，具有特殊的物理和化学特性，在电子、光电、光学及物理化学等领域具有广泛的应用。
本文将介绍碳纳米材料的制备技术和应用领域。
一、碳纳米材料的制备技术碳纳米材料的制备技术可分为两类：自下而上和自上而下。
自下而上的制备方法是指从碳原子开始，逐步合成出碳纳米材料，其中主要包括化学气相沉积、电子束辐照和溶胶-凝胶法等。
自上而下的制备方法是指从大分子结构开始，通过削减、切割等方式来制备碳纳米材料，其中主要包括机械剥离法、化学氧化剥离法和电化学剥离法等。
1.化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是一种将气态碳源分解并在衬底表面上沉积成碳纳米材料的方法。
常用的气态碳源有甲烷、乙烯、乙炔、苯等。
在CVD反应中，碳源触碰热衬底表面后产生热裂解，并沉积为纳米级的碳材料。
这种方法可以制备出具有良好导电性、优良光催化性质和热稳定性的碳纳米管等。
2.电子束辐照电子束辐照是将电子束照射在石墨材料表面，并形成非平面的碳结构。
通过辐照后的样品热处理，有可能制备出具有较高表面积的多壁碳纳米管等。
电子束辐照技术制备的碳纳米材料成本低、成品纯度高、易于量产。
3.溶胶-凝胶法通过稳定的胶体反应，改变溶剂中的物理状态，使其经历溶解、胶化、干燥、热解等依次过程，最终获得纳米结构材料。
这种方法可以制备出具有良好光、电、磁等性能的碳纳米粒子和薄膜。
以上三种制备方法是目前最常用的碳纳米材料制备技术，它们都各自具有一些优点和缺点，因此在实际应用中应根据需要选择适合的方法。
二、碳纳米材料的应用领域1. 电子学由于碳纳米材料具有优异的电学性能，提高了电子器件装配的性能。
当碳原子被组合成焦炭合适的方式时，它们就能形成高导电和低阻抗的电极，这种结构能够满足极小型化的需求，在纳米chip、管道、晶体管等微型电子元件中有着广泛的应用。
2. 材料化学碳纳米材料在材料科学领域被广泛应用。
比如，碳纳米管可以用作吸附剂去除有机污染物。
碳纳米管 氮化碳 二氧化碳还原-概述说明以及解释
碳纳米管氮化碳二氧化碳还原-概述说明以及解释1.引言1.1 概述碳纳米管、氮化碳和二氧化碳还原是当前热门的研究领域，它们在材料科学、纳米技术和环境领域都具有广泛的应用潜力。
首先，碳纳米管是由碳原子以特定的晶格排列方式组成的一维纳米结构。
它们具有优异的力学性能、热导性能和电导性能等独特的物理化学特性。
由于这些独特的特性，碳纳米管在电子器件、催化剂、传感器和复合材料等方面具有广泛的应用前景。
其次，氮化碳是一种碳和氮原子相互交替排列形成的二维材料。
它具有类似石墨烯的层状结构，但相比石墨烯而言，氮化碳中的一些碳原子被氮原子取代。
氮化碳具有良好的化学稳定性、优异的光学性能和电学性能，因此被广泛应用于光催化、电催化、传感器和能源存储等领域。
最后，二氧化碳还原是一种将二氧化碳转化为有用化学品或燃料的技术。
随着全球能源需求和环境问题的日益严重，二氧化碳还原技术备受关注。
通过利用催化剂和适当的方法，可以将二氧化碳转化为甲烷、乙烷等有机燃料，或者转化为一些重要的化学品，如甲酸和乙醇等。
这项技术对于减轻二氧化碳排放和开发可再生能源具有重要意义。
综上所述，碳纳米管、氮化碳和二氧化碳还原技术是当前研究热点，它们在各自的领域中具有重要的应用潜力和研究价值。
随着相关领域的不断发展和技术的成熟，我们相信碳纳米管、氮化碳和二氧化碳还原技术将为未来的材料科学和环境保护做出更大的贡献。
1.2 文章结构文章结构部分：本文分为引言、正文和结论三个主要部分。
引言部分主要概述了碳纳米管、氮化碳以及二氧化碳还原的研究背景和意义，并说明了本文的目的。
正文部分则分为三个小节，分别介绍了碳纳米管的特性和应用、氮化碳的特性和应用，以及二氧化碳还原的原理和方法。
最后，结论部分对全文进行总结，并对未来相关研究进行展望。
通过上述的结构，本文将全面介绍碳纳米管、氮化碳和二氧化碳还原的相关知识。
首先，我们将介绍碳纳米管的特性，包括其结构、机械性质和导电性等方面的特点，并探讨其在电子器件、能源存储等领域的应用。
碳纳米材料的制备和应用研究
碳纳米材料的制备和应用研究随着科技的进步和经济的发展，人类对新材料的需求日益增长。
碳纳米材料因其独特的结构和性能而备受关注。
本文将探讨碳纳米材料的制备方法以及相关的应用研究。
1. 制备方法a. 机械研磨法机械研磨法是一种常见的碳纳米材料制备方法，通常利用球磨机或三辊磨等设备将原料粉碎并加以分散，产生纳米级颗粒。
这种方法简单易行，成本低廉，能够制备出高纯度的碳纳米材料。
b. 化学还原法化学还原法利用化学反应将二氧化碳等碳源还原成碳纳米材料。
这种方法可以控制材料的形貌和尺寸，并且可以通过调节反应条件优化材料的性能。
然而，化学还原法需要使用有害化学品，对环境造成一定的影响。
c. 碳化物转化法碳化物转化法是一种将碳源直接转化为碳纳米材料的方法。
通过高温处理碳源，例如甲烷或乙炔，可以得到不同形貌和尺寸的碳纳米材料。
这种方法具有制备简单、控制性好的优点，但需要高温和特殊设备。
2. 应用研究a. 电子器件碳纳米材料具有良好的导电性和导热性，在电子器件领域具有广泛的应用前景。
例如，碳纳米管可以用于制造高性能的输运管道和场效应晶体管。
石墨烯则被广泛研究用于柔性电子器件和光电器件。
b. 能源储存碳纳米材料在能源储存领域有着广泛的应用。
石墨烯和碳纳米管等材料被研究用作锂离子电池和超级电容器的电极材料，具有高能量密度和快速充放电速率的特点。
此外，碳纳米材料还可用于储氢技术和太阳能电池等领域。
c. 环境治理碳纳米材料在环境治理方面也有广泛的应用。
由于其巨大的比表面积和良好的吸附能力，碳纳米材料可以用于水处理、废气处理和土壤修复等领域。
此外，碳纳米材料还可以作为催化剂用于有机废气的高效转化。
3. 发展趋势随着碳纳米材料研究的深入，人们对其制备方法的改进和性能优化提出了更高的要求。
未来的发展趋势包括：a. 新型制备方法：探索更加环保和经济的碳纳米材料制备方法，如绿色合成和生物合成等。
b. 多功能材料：将碳纳米材料与其他纳米材料、有机材料等结合，实现多功能的应用。
纳米片材料的制备及其性质分析
纳米片材料的制备及其性质分析随着科学技术的不断发展，纳米技术的应用越来越广泛，纳米材料的研究也成为了一个热门领域。
纳米片材料是一种极小的材料，其主要特点在于其体积很小，同时也拥有优异的性能和特殊的物理化学性质。
本文将探讨纳米片材料的制备方法以及其性质分析。
一、纳米片材料的制备方法1、溶剂热合成法溶剂热合成法是一种制备纳米片材料的有效方法。
在该方法中，热稳定的有机化合物被加入到一种可溶的有机溶剂中，使其形成一个混合物。
然后，加热该混合物并搅拌，使其在高温下反应和形成所需的结构。
2、水热合成法水热合成法利用水热反应制备纳米片材料，该方法不需要添加任何有机溶剂，只需在水中添加反应物即可。
在高温高压下，反应物在水中发生反应形成所需的产品。
3、溶胶凝胶法溶胶凝胶法是另一种常用的制备纳米片材料的方法。
在该方法中，先将所需的原料在有机溶剂中形成胶体，然后通过升温和处理，使胶体形成所需的纳米片。
4、低温静电喷雾法低温静电喷雾法是一种制备纳米片材料的新兴方法。
该方法通过静电喷雾成型，使微小液滴形成在纳米制品上，从而制成所需的纳米片材料。
二、纳米片材料的性质分析1、电学性质纳米片材料的电学性质会随着其尺寸的不断缩小而发生变化。
对于一些材料，尺寸越小，其电学性质也越优秀。
纳米片材料可以表现出金属、半导体和绝缘体的特征性质，这取决于其所属的材料。
2、光学性质纳米片材料的光学性质也会随着其尺寸的变小而发生变化。
纳米片材料可以表现出单原子薄层材料所特有的光学性质，例如较高的透明性和优异的光学电学响应。
3、力学性质纳米片材料的力学性质是指其受到力的影响下所表现出的特殊性质。
与传统材料相比，纳米片材料具有优异的力学性能。
由于其具有米级的厚度，它的表面张力、硬度和弹性模量也会相应地增强。
4、物理化学性质纳米片材料的物理化学性质具有很大的改进空间。
由于其具有纳米级别的尺寸，它的比表面积较大，表面分子的活性也较高。
因此，纳米片材料对化学反应的敏感性也较高。
纳米碳材料的制备与性能调控技巧
纳米碳材料的制备与性能调控技巧纳米碳材料是一类具有特殊结构和优异性能的重要材料，在多个领域具有广泛的应用前景。
它们具有高度可调控性和可定制性，可以通过合适的制备和性能调控技巧来实现特定的应用需求。
本文将介绍纳米碳材料的制备方法以及一些常用的性能调控技巧。
一、纳米碳材料的制备方法1. 化学气相沉积法（CVD）：化学气相沉积法是一种常见的制备纳米碳材料的方法。
通过选择合适的原料气体，控制沉积条件和衬底材料等因素，可以制备出具有不同形貌和结构的纳米碳材料，如碳纳米管、石墨烯等。
2. 碳化合物热分解法：碳化合物热分解法是制备纳米碳材料的另一种常用方法。
通过选择适当的碳源，如甲烷、乙炔等，在高温条件下进行热分解反应，实现纳米碳材料的制备。
3. 电化学法：电化学法是一种制备纳米碳材料的绿色环保方法。
通过在适当的电解质溶液中施加电压，将碳源沉积在电极表面，可以得到纳米碳材料，并具有较好的可控性和可重复性。
二、纳米碳材料的性能调控技巧1. 形貌控制：纳米碳材料的形貌对其性能具有重要影响。
通过调控制备方法中的反应条件、衬底材料以及添加不同的催化剂等手段，可以控制纳米碳材料的形貌。
例如，在碳纳米管制备过程中，可以通过控制碳源的流量和催化剂的种类和浓度来调控碳纳米管的直径、长度和形貌。
2. 尺寸调控：纳米碳材料的尺寸对其性能也有显著影响。
通过调控制备方法中的反应时间、温度和反应物质量比等参数，可以调控纳米碳材料的尺寸。
例如，在碳纳米管制备过程中，通过控制碳源的供给时间和温度，可以实现碳纳米管的直径和长度的调控。
3. 表面修饰：纳米碳材料的表面性质对其应用性能具有重要影响。
通过在纳米碳材料表面引入功能化基团或进行表面修饰，可以改变其表面化学性质和生物相容性。
例如，可以在石墨烯表面引入羟基、羧基等官能团，使其具有更好的亲水性和生物相容性。
4. 掺杂调控：通过在纳米碳材料中掺入其他元素，可以调控其电子结构和导电性能，并获得特殊的物理和化学性质。
氮掺杂碳纳米片的制备及其在酸碱介质中氧还原催化性能
氮掺杂碳纳米片的制备及其在酸碱介质中氧还原催化性能氮掺杂碳纳米片的制备及其在酸碱介质中氧还原催化性能近年来，氧还原反应（ORR）作为一种重要的能源转换反应，受到了广泛关注，因为它在燃料电池、金属空气电池等能源领域中具有巨大的应用潜力。
目前，铂基催化剂是ORR的最佳候选物，然而，铂的稀缺性和高成本限制了其在实际应用中的广泛使用。
因此，寻找低成本、高效的替代催化剂成为了当前研究的热点。
近年来，碳材料作为一种优良的催化剂载体，具有丰富的多孔结构和可调控的化学吸附性，已成为替代铂基催化剂的重要候选物。
此外，氮掺杂碳材料因具有更高的催化活性和电化学稳定性而备受关注。
因此，将氮掺杂碳材料作为ORR催化剂的载体具有重要的科学意义和应用前景。
在制备氮掺杂碳纳米片时，常用的方法是通过碳化剂（例如葡萄糖、蛋白质等）与氮源（如尿素、三聚氰胺等）在高温下进行热解反应。
热解过程中，碳化剂会发生物理或化学变化，并与氮源发生反应，形成包含氮杂原子的碳纳米片。
此外，调控反应温度、时间、反应气氛等因素也是制备高质量氮掺杂碳纳米片的重要影响因素。
氮掺杂碳纳米片作为ORR催化剂，在酸碱介质中展现出了较高的催化活性。
其高催化活性主要归因于氮掺杂所引入的杂原子-氮的特殊化学态。
氮杂原子-氮能够与氧分子吸附形成键，并提供位阻效应，从而增强ORR反应速率。
此外，氮掺杂碳纳米片具有较高的表面积、更大的孔径和更好的电子传导性能，也有助于提高催化活性。
然而，目前氮掺杂碳纳米片在ORR催化方面仍存在一些挑战。
首先，氮掺杂碳纳米片的氮杂原子含量和类型对催化性能有重要影响。
高含量的氮杂原子有助于提高催化活性，但过多的氮原子可能导致材料结构疏松和电子传导性能下降。
其次，氮掺杂碳纳米片的制备方法需要进一步优化，以提高催化剂的稳定性和长期使用的耐久性。
最后，氮掺杂碳纳米片的催化机理尚不完全清楚，需要通过理论计算和实验研究来深入了解。
综上所述，氮掺杂碳纳米片作为ORR催化剂具有巨大的应用潜力。
氮化碳纳米片的合成、结构表征和光催化性能测试——基于科教融合的化学综合实验
第39卷第2期2021年4月福建师大福清分校学报JOURNAL OF FUQING BRANCH OF FUJIAN NORMAL UNIVERSITYVol. 39 No. 2Apr. 2021氮化碳纳米片的合成、结构表征和光催化性能测试——基于科教融合的化学综合实验张明文，陈仪，魏小莲，陈益宾（福建技术师范学院材料与环境科学学院，福建福清 350300）摘 要：基于前沿课题和实验教学实践，设计了一个化学综合创新实验.实验从半导体光催化技术这一前沿科学入手，设计了氮化碳纳米片的合成、结构表征和光催化性能测试实验.分组选择不同的合成策略制备多种氮化碳纳米片光催化剂，通过FT-IR、XRD和SEM分别表征氮化碳的化学结构、晶体结构和微观形貌，采用光催化降解罗丹明B为模型反应考察材料的光催化性能.该实验教学不仅可以让学生巩固和提升化学基础理论知识和实验技能，还能培养他们具备科技前沿的视角和综合运用知识的能力，从而全面提升学生的创新意识.关键词：化学综合实验；氮化碳纳米片；光催化；材料合成；结构表征；染料降解中图分类号：TQ03∶O6-3 文献标志码：B 文章编号：1008-3421（2021）02-0204-10科教融合将科研与教学在形式和内容上互相渗透，是培养应用和创新兼备型人才的有效途径[1].针对化学专业本科生的人才培养，应在现有的基础上，积极通过科教深度融合的教学模式进行人才培养：一方面，教师的创新研究应因地制宜转变为教学内容，让学生有机会接触到最新、最前沿的化学相关学科知识；另一方面，科学研究应作为本科培养的一种有效方式，鼓励学生参与创新研究，培养学生的实践能力[2].化学综合实验是在教育部《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》中“增加综合性与创新性实验，引导大学生了解多种学术观点并开展讨论，追踪本学科领域最新进展，提高自主学习和独立研究的能力”的号召下，在无机、分析、物化、有机等基础化学实验的基础上，开设的综合性实验课程，旨在强化化学相关知识和实验方法的综合应用，最终达到解决化学相关方面综合问题的目的[3].在“科教融合”大背景下的化学综合实验，不仅要能够突出应用型高校的办学特色和专业特点，还要利用学校在教学和科研方面的资源，让学生能够有意识地聚焦科技前沿，抓住关键科学问题，设计合理的实验方案，通过一系列的实验手段，借助相关基础化学理论知识进行分析讨论，从而解决相关科学问题[4].本文结合了化学综合实验教学目的和自身科研成果，引导学生关注当今社会能源短缺和环境污染的现实问题，以光催化新兴技术为切入点，将探寻兼具量子效率、可见光利用率、稳定性和经济性的光催化剂为目标，设计了题为“氮化碳纳米片光催化剂的合成、结构表征和性能测试”的综合化学实验.本实验新颖、成熟、安全、低耗，将前沿科学研究理念与启发式教学相结合，不仅提升了学生对前沿科技的洞察力，而且强化了学生基础化学实验操作和理论知识综收稿日期：2021-02-24基金项目： 国家自然科学基金（21902026）；福建省本科高校重大教育教学改革研究项目（FBJG20190126）；近海流域环境测控治理福建省高校重点实验室开放基金（S1-KF1807）；福建省自然科学基金（2020J01303）.作者简介： 张明文（1989— ）,男，福建福清人，博士，讲师，研究方向为光催化材料制备及应用.张明文，等：氮化碳纳米片的合成、结构表征和光催化性能测试39卷2期205合运用，有助于学生创新能力的提高.1 教学设计的背景及意义现代工业化的迅猛发展，大量消耗不可再生的化石燃料，同时排放出有毒污染物，引发严峻的能源危机和环境恶化等问题[5].以罗丹明B 为例[6]，它是一种典型的碱性三苯甲烷类染料，稳定性强、难以降解，进入到环境后容易造成环境污染，有一定的致癌性.若以罗丹明B 为对象进行降解研究，能够给三苯甲烷染料废水治理带来一定的参考价值.半导体光催化技术是一个多学科交叉的新兴研究领域[7].该技术可将低密度的太阳能转化为高密度的化学能（如氢气、甲烷等），亦或以太阳光作为驱动力来降解、矿化有机污染物，有望解决能源短缺和环境污染等问题.现市面上已出现相关以光催化技术为核心的环境污染控制技术[8].该技术领域的核心课题是研制太阳能利用率高、稳定性强、廉价易得的光催化剂.传统的半导体光催化剂主要为含过渡金属的化合物[5].然而它们之中尚无法同时满足上述要求，且主要组分大都包含昂贵的稀有金属元素，难以实现大规模实际应用.氮化碳（g-CN）具有类似石墨的层状结构，层层之间通过范德华力连接，而层内多以七嗪为基本单元通过N 原子桥连起来，结构模型如图1.基本单元中的C 和N 原子都发生sp 2杂化，而未杂化的p z 轨道可以形成大的芳环π键，构成一个高度离域的共轭体系.这样的共轭体系使其具有半导体的能带结构，能吸收波长小于460 nm 的光，并激发出有一定还原性的电子和一定氧化性的空穴，参与各类匹配的还原氧化反应. g-CN 可由多种富含N 的有机小分子通过热聚合的方式合成；g-CN 不溶于酸、碱或有机溶剂，是一种非常稳定的材料；其聚合物的本质有利于从分子层面上通过表面化学工程手段来调控g-CN 的化学性质.因此g-CN 作为一种不含金属组分的可见光光催化剂，具有廉价、稳定、易于改性等特点，广泛用于光催化水的分解、有机物的绿色合成、有机污染物的降解矿化等，至今仍是前沿科研的热点材料[10].然而，较高的光生电子和空穴的复合率，较低的可见光响应（无法吸收大于460 nm 波长的光）和表面传质效率等，限制了g-CN 的实际应用.针对这些科学难题，科研人员开展了大量的改性研究工作来优化g-CN 的光催化活性，包括制备方法优化与纳米结构设计、元素掺杂、共聚合改性、异质结构筑等.图1 最常见的g-CN 单层结构模型[9]206福建师大福清分校学报 2021年4月本文所涉及的科教融合化学综合实验教学设计，应在学生掌握化学学科理论知识和实验的基础上，引导学生关注环境治理的迫切需求，以氮化碳光催化剂这一热点材料为例，让学生在纳米材料的可控合成、结构表征和光降解罗丹明B性能研究等方面开展实验.学生可以通过文献调研与学习，参与综合创新实验的相关具体设计与实验，培养学生自主参与科学研究的兴趣，掌握开展科学研究应具备的能力，提高其创新能力和综合应用能力[11].2 实验设计2.1 实验目的1）了解半导体光催化技术的原理；2）了解g-CN的结构特点，掌握合成g-CN 纳米片的方法；3）掌握常见的结构、形貌表征手段的基本原理和操作流程；4）掌握光催化染料降解测试流程，综合分析“构—效”关系.2.2 实验原理2.2.1 半导体光催化半导体光催化技术是一个多学科交叉的新兴研究领域[7].光催化过程主要以半导体的能带结构理论为主：能带分为价带（能量低，充满电子）和导带（能量高，电子未充满），价带、导带间的宽度称为禁带宽度（E g）；当入射光的能量大于半导体的禁带宽度（hv≥ E g）时，价带上的电子将会被激发到导带上，价带则因少一个电子而产生一个带正电的空穴；光生电子和空穴分别具有较强的失电子和得电子的能力，蕴含一定的化学势；它们若顺利迁移到材料表面接触到反应物，且符合反应热力学要求，即可参与相关反应，显示出还原性和氧化性.2.2.2 氮化碳光催化剂聚合物氮化碳（g-CN）是通过富含N的有机物（如氰胺、二聚氰胺、三聚氰胺等）通过高温热聚合的方式获得，所得产物以七嗪碳氮杂环（C6N7）为单元通过桥连的N原子相连形成准二维的平面结构.该平面中，C和N原子部分轨道发生sp2杂化形成C-N键，而未杂化的p z轨道则共轭成类似石墨烯的高度离域的结构.因此g-CN稳定性较强，有一定的半导体性能.然而常规热聚合方法只能合成出无规则块体的微观形貌，其在实际应用中受限较多，如光生电荷复合率高等. g-CN纳米片具有各向异性的结构特点：暴露出较大的微观接触面，有利于太阳光的捕获和反应物的传质作用；其较小的片层厚度，缩短了光生电荷从材料内部到表面的迁移距离.因此g-CN纳米片在光催化领域的应用具有较大的优势[12].本实验引入三种操作简便的方法来制备g-CN纳米片，并对其进行结构和性能的对比：以二聚氰胺为原料、氯化铵为助剂的软模板法；在体相g-CN的基础上通过二次热处理的热剥离法；以尿素为原料的自模板法.实验过程中，可对学生进行分组，让学生自行选择其中一种方法来合成氮化碳纳米片.实验结束后，可将所有学生的数据进行合理共用，以此探究不同纳米片合成方法对结构和光催化降解罗丹明B 性能的影响.2.2.3 粉末X射线衍射仪粉末X射线衍射仪常用于分析多晶粉末样品.基本原理是通过一束单波长的X射线照射到随机取向分布的粉末固体上，根据采集器上采集的反射X射线谱线特征，借助Jade软件进行进一步的拟合分析，即可获得样品的晶型属性、结晶度高低和晶面间距变化等晶体结构特征[13].2.2.4 傅里叶红外光谱仪当不同红外波长的光通过不同的化学基团时，其光波吸收情况不同，产生特征吸收峰；不同化合物中相同基团的特征吸收峰大致相同.因此通过红外光谱可以分析化合物中存在的官能团和微观化学结构.本实验涉及的氮化碳材料属于由C、N、H非金属元素组成的张明文，等：氮化碳纳米片的合成、结构表征和光催化性能测试39卷2期207共轭共价材料，其表面含有丰富的官能团，如-NH2，C-N等，具有极其丰富的红外光谱信息，因此可用傅里叶红外光谱仪来表征样品的化学结构.2.2.5 扫描电子显微镜扫描电子显微镜是一种微观形貌的分析工具，其分辨率高于光学显微镜.它主要利用聚焦的高能电子束以光栅状扫描的方式逐点轰击到样品表面，激发出的不同深度的二次电子信号被样品上方多种信号接收器接收，再通过放大器同步传送到电脑显示屏，将样品微观特征形成实时立体图像显示出来[14].2.2.6 紫外-可见分光光度计波长在紫外-可见范围内的光通过物质时，会被选择性的吸收，进而引发物质分子振动能级跃迁和电子能级跃迁[15].多数有机染料分子中具有较多的共轭键和发色团，在200~800 nm波长间有一个特定的吸收峰.利用紫外-可见分光光度计测定有机染料溶液中的特征吸收峰相对强度值，可定性、定量分析该染料分子在溶液中的浓度，从而研究光降解反应速率.2.3 实验试剂和仪器2.3.1 试剂二聚氰胺，氯化铵，尿素，罗丹明B，去离子水.2.3.2 仪器分析天平，研钵，带盖坩埚，高温马弗炉，粉末X射线衍射仪（XRD），傅里叶红外光谱仪（FT-IR），扫描电子显微镜（SEM），鼓风干燥箱，超声机，光催化染料降解装置，离心机，离心管，容量瓶，量筒，滴管，紫外-可见分光光度计.2.4 实验内容2.4.1 体相g-CN和g-CN纳米片的合成将学生进行分组，每组同学选择1~2种氮化碳纳米片的合成方法，并将所合成样品与CN-B进行结构和性能等方面的对比.体相g-CN：5.0 g二聚氰胺置于带盖坩埚，放入高温马弗炉进行煅烧（程序：以2.3 ℃/min的速率从室温升温至550 ℃，保温240 min）.所得黄色块状物置于研钵中研磨30 min.记为CN-B.g-CN纳米片-软模板法：1.0 g二聚氰胺和适量的氯化铵（氯化铵的质量可让学生在一定范围内自行选择，如：3 g，5 g，7 g），置于研钵中充分研磨，移入带盖坩埚，放入高温马弗炉进行煅烧（程序：以2.3 ℃/min的速率从室温升温至550℃，保温240 min）.所得淡黄色絮状物置于研钵中研磨5 min.记为CN-A(1:X).g-CN纳米片—热剥离法：1.0 g CN-B样品，置于带盖坩埚，放入高温马弗炉进行二次煅烧（以5.0 ℃/min的速率从室温升温至550 ℃，具体的保温时间可让学生在一定范围内自行选择，如：2 h，4 h，6 h）.所得淡黄色絮状物用药勺刮出，并置于研钵中研磨5 min.记为CN-H.g-CN纳米片—自模板法：称取15.0 g尿素置于带盖坩埚，放入高温马弗炉进行煅烧（程序：以5.0 ℃/min的速率从室温升温至550℃，保温时间可让学生在一定范围内自行选择，如：2 h，3 h，4 h）.所得淡黄色絮状物置于研钵中研磨5 min.记为CN-U.2.4.2 氮化碳的化学结构、晶体结构、微观形貌表征采用Nicolet 380型傅里叶变换红外光谱仪来测定样品的化学结构：在干燥的环境下（在红外灯的持续照射下），将样品与KBr固体以1∶100的质量比进行均匀研磨，用磨具压制成薄而透明的圆片.测试条件：扫描范围为4 000~400 cm-1，循环扫描次数为32次.采用日本岛津Ultima IV型粉末X射线衍射仪来测定样品的晶型：采用的X射线为Cu 靶射线（波长为0.154 nm），工作电压为40 kV，工作电流为40 mA，扫描范围设定为2θ208福建师大福清分校学报 2021年4月= 5°~ 60°，扫描步长为0.02 o/s.将样品预先用研磨至粉状，移取少量至带有粗糙凹面的载玻片上，并用另一干净的载玻片压实压平，水平移入该仪器的载物台上.采用Thermo Scientific Q250扫描电子显微镜来观察样品的微观形貌：1）称取10 mg至1 mL水中，超声分散10 min；2）取少量导电胶黏在载物台上，滴入10 μL上述悬浮液至导电胶上，60 ℃烘箱中烘干（预先放在带盖的表面皿中，避免导电胶污染）；3）将载物台进行喷金（喷金电流10 mA，时间为60 s），以增强氮化碳样品的导电性；4）放入电镜样品台，调节到不同尺度，拍摄有代表性的微观块体或纳米片状形貌的图像.2.4.3 光催化降解罗丹明B的性能测试实验1）罗丹明B母液的配置：采用万分之一天平准确称取干燥的罗丹明B 0.040 0 g，用去离子水进行溶解定容到500 mL容量瓶中，最终得到质量浓度为80 mg/L的标准溶液.2）样品的光催化染料降解实验A. 打开循环冷凝水，设置循环冷凝水温度为20℃，以恒定保温夹套中的温度.B. 打开紫外-分光光度计，待稳定后设置相关参数.C. 准确量取5.0 mL的罗丹明B母液倒入反应器（扁平瓶），并加入75 mL去离子水，配制成质量浓度为10 mg/L的罗丹明B待降解溶液.取2 mL待测，此浓度记为c0.D. 称取20 mg光催化剂（氮化碳）加入上述溶液中，超声分散1 min.将反应器置于恒温夹套中，并在夹套中加入适量水.往反应瓶中加入磁力子，将装置放在搅拌器上搅拌.E. 反应器用锡箔纸盖住，进行暗吸附实验，半小时后取样（2 mL反应液）到离心管中，待测.暗吸附后，样品将达到吸附平衡.F. 打开LED灯（50 W，420 nm），灯源紧靠保温夹套外延.不同催化剂的降解速率快慢有所区别，按实际情况每隔2~30 min取样一次，每次取样2 mL，待测.待溶液无色后可停止取样.3）紫外-可见光谱法测试罗丹明B浓度的变化A. 将待降解罗丹明B溶液移入比色皿中，测其紫外-可见吸收光谱图，确定其最强吸光度所对应的波长数值.B. 将上述暗吸附过程和光照过程中所取的悬浊液通过离心机（转数n=10 000 n/min）离心10 min，按顺序依次移取上清液到比色皿中，并在最大吸光波长处测定其吸光值，确定光催化在吸附、光降解过程中罗丹明B的浓度变化率c/c0.由于吸光度A和浓度c成正比，两者关系符合比尔朗伯定律，且同一系列待测溶液中的其它参数为固定数值，因此c/c0 = A/A0 .2.5 数据处理和结果讨论2.5.1 化学结构将数据导出成“.CSV”的格式，并用origin软件进行作图.根据FT-IR的谱图特征，结合所学的《波谱学》课程内容，可对测试样品的化学结构做出深入地分析.如图2所示，所有氮化碳材料的FT-IR谱图有以下三组特征的红外吸收峰[16]，分别位于3 500~ 3 000 cm-1、1 600~1 200 cm-1和810 cm-1.其中3 500~3 000 cm-1范围内的吸收峰范围较大较宽，主要是N-H键和O-H键的伸缩振动，归属于氮化碳表面未完全聚合的氨基和材料吸附的水分子.在1 600~1 200 cm-1内的吸收峰是C=N键和C-N键的伸缩振动引起的，在810 cm-1处出现的尖峰是七嗪环的呼吸振动，这说明所合成的氮化碳具有七嗪环的分子结构.由于氮化碳纳米片的微观形貌结构开放，表面末端氨基增多，吸附水的能力较强，因此FT-IR谱图特征与体相氮化碳CN-B有一定区别，特别在3 500~3 000 cm-1范围内的红外吸收较强，亦有一定的峰的偏移，应仔细对比分析.张明文，等：氮化碳纳米片的合成、结构表征和光催化性能测试39卷2期209图2 体相氮化碳CN-B 与不同氮化碳纳米片CN-A、CN-H、CN-U 的FT-IR 对比图2.5.2 晶体结构将数据导出成“.txt”的格式，并用origin 软件进行作图.根据XRD 的谱图峰的2θ值和强弱情况，对测试样品的晶体结构做出分析，如图3.体相氮化碳CN-B 的XRD 谱图特征有以下两个特征峰，分别位于27.4°和13.0°.其中2θ值为27.4°的主特征峰，是层间堆叠的（002）晶面衍射.2θ值为13.0°的特征峰表示氮化碳七嗪结构重复单元的（100）晶面衍射.相比于CN-B，氮化碳纳米片的XRD 图相特征基本不会改变.但是由于纳米片中层间堆叠方向上的尺寸减少，因此（002）晶面衍射将会变矮变宽，即氮化碳晶型有一定程度的破坏.此外，CN-A 和CN-U 两种纳米片的合成方法是依靠热聚合过程中产生大量气体使氮化碳层与层的剥离，因此其层间堆叠的间距发生变化，显示出（002）峰会向高角度偏移[17].2.5.3 微观形貌通过SEM 照片，可以将氮化碳的微观形貌进行放大，如图4.借助照片上的标尺，我们也可以测量出样品的尺寸大小.典型的体相氮化碳CN-B 的SEM 图是形状不规则、表面致密的板块结构.三种氮化碳纳米片的SEM 照片显示出明显的片状形貌.其中，CN-H 和CN-U 两种纳米片由于张力的作用发生卷曲[17].从图中还能比较出，CN-U 的纳米片形貌最好，且孔洞较多，这将有利于光催化性能的提升.图3 体相氮化碳CN-B 与不同氮化碳纳米片CN-A、CN-H、CN-U 的XRD 对比图I /a .u .2θ/ °2θ/ °2θ/ °I /a .u .I /a .u .210福建师大福清分校学报 2021年4月2.5.4 光催化染料降解由罗丹明B 的紫外-可见吸收光谱图中标出其最大吸收峰的波长位置（λ=554 nm）[6].以时间为横坐标、c /c 0为纵坐标，做出罗丹明B 暗吸附和光催化降解曲线图.从图5可以看出，在暗吸附过程，氮化碳纳米片显示出较大图4 体相氮化碳CN-B 与不同氮化碳纳米片CN-A、CN-H、CN-U 的SEM对比图图5 体相氮化碳CN-B 与不同氮化碳纳米片CN-A、CN-H、CN-U 的光催化降解罗丹明B速率对比图张明文，等：氮化碳纳米片的合成、结构表征和光催化性能测试39卷2期211的吸附容量，这与纳米片开放的微观结构有关.不同方法合成的纳米片相比于体相氮化碳CN-B，其光催化染料降解速率都有明显的提升，其中CN-U的活性相对较高.2.5.5 构—效关系的讨论把所有分组的实验数据进行整合分析，讨论光催化剂的结构与效率之间的关系.引导学生从取得的实验结果和已解决的部分科学问题出发，分析讨论还存在的问题以及可能解决问题的方案.3 教学设计3.1 授课对象及课前准备本实验是一门面向化学、材料相关专业的本科综合实验.本实验适用的学生层次是已掌握四大基础化学和仪器分析相关理论知识及其实验技能的大三至大四本科生.此外，学生应在实验开展前，自主进行相关项目的预习准备：查阅文献或本实验课件，了解光催化、光催化剂等相关概念及原理；了解g-CN在光催化领域的应用及常见合成、改性方法；复习XRD、FT-IR、SEM、紫外-可见分光光度计的基本工作原理和数据处理方法.3.2 学时安排本实验计划设置16学时，具体安排如下：1~4学时：进行背景知识的讲解，以及样品光催化剂的合成（为节约时间，体相g-CN 的制备可由老师提前合成准备；样品的合成可能需要持续等待较多时间，因此可在开始热处理1天后进行第二阶段的实验）；5~10学时：样品的结构、形貌表征测试.XRD、FT-IR、SEM三个测试操作单元各2个学时.可对学生进行分组，交替进行；11~16学时：进行样品的光降解染料性能实验，并通过紫外-可见分光光度计测试罗丹明B浓度的变化规律.3.3 实验过程实施本实验依据“以问题为导向——寻求解决策略——实验探索——分析讨论——总结”的思路进行实施，引导学生互相探讨实验设计及结果，促进学生创新能力的培养.教师向学生讲解光催化技术背景和原理，介绍g-CN光催化剂的特点，让学生理解研究的意义；提出g-CN光催化剂目前存在的问题，并让学生查阅资料，确定合成g-CN纳米片的合成策略及相关工艺参数；进行分组（分成四大组：一组主要研究软模板法，二组主要研究热剥离法，三组主要研究自模板法，四组综合研究三组方法的异同；每个大组进行若干单因素变量的实验），引导学生在本实验框架下互相探讨，并进行材料制备、结构表征和性能测试实验；分析单因素变量对材料结构的影响，进而讨论对光降解性能的影响；总结“构—效”关系，并指导高效光催化剂的合成.3.4 思考题为了让学生更加深入地思考和学习这个实验，可以设置如下思考题供学生思考、讨论.1）三种方法（软模板法、热剥离法和自模板法）合成g-CN纳米片的原理是什么？从体相g-CN到g-CN纳米片的过程中，最需要破坏的化学键是什么？2）相对于体相g-CN，g-CN纳米片中的XRD图有何显著的变化趋势？为什么?3）本实验中，如何根据溶液的吸光度值的变化初步判断光降解活性的优劣？影响光催化降解效率的因素有哪些？4）请提出一些可行的改性策略，以实现g-CN的实际应用.3.5 实验完成评价实验结束后，各组同学整理相关数据结果，用origin或excel数据处理软件进行作图，并共享所有数据.通过模拟学术报告交流会的方式，对实验条件及相关实验数据进行分析讨论，并要求学生能够按照科技论文的格式完成相应实验报告的撰写.教师应从多个方面综合评定学生的实验成绩：实验操作，能按实验步骤进行，重点考察溶液配制、移取、稀释等基础实验操作和学生实验安全意识；数据处理，合理运用相关数据处理软件，作出直观、美观的数据图，方便进行数据分析讨论；汇报讨论，对相关科研背景212福建师大福清分校学报 2021年4月知识、科学原理有一定的了解，能以实际应用为导向，根据材料的特点进行针对性地改进优化，结合相关表征手段的实验数据，适当讨论材料的“构—效”关系；科技论文格式的完整性.4 结语本文设计了题为“氮化碳纳米片光催化剂的合成、结构表征和性能测试”的实验教学项目.首先以半导体光催化新技术为切入点，让学生聚焦科学前沿，了解氮化碳的发展现状和亟待解决的问题；其次掌握氮化碳的结构特点和合成方法，引导学生运用多种纳米材料的改性策略，制备氮化碳纳米片光催化剂；再次掌握基本的化学结构、晶体结构和微观结构表征手段，通过实验方案的合理设计，借助相关化学基础知识，分析所制备的氮化碳纳米片的结构；最后利用光催化降解罗丹明B的实验，让学生探索对比不同改性策略的特点.在该实验教学过程中，通过“引导——设计——探索”的模式，可以让学生对化学基础知识和实验操作的得到全面的巩固和提升，掌握部分大型仪器的测试方法和原理，具备前沿科学研究的洞察力，有利于创新思维和综合素质的培养.参考文献：[1] 黄雪盈, 吴为人, 兰涛. 科教深度融合模式的新专业建设与实践[J]. 教育现代化, 2018, 5(52): 164-166.[2] 袁茂, 杨华. 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碳纳米颗粒的合成及其电化学性能研究
碳纳米颗粒的合成及其电化学性能研究近年来，碳纳米颗粒作为一种新型的纳米材料，受到了广泛的研究和应用。
碳纳米颗粒具有独特的结构和优异的性能，在电化学领域尤为突出。
本文将介绍碳纳米颗粒的合成方法，并重点探讨其在电化学性能方面的研究。
首先，我们来看碳纳米颗粒的合成方法。
碳纳米颗粒的制备方法众多，常见的包括化学气相沉积法、溶胶凝胶法、碳化合物热解法等。
其中，化学气相沉积法是一种常用的方法。
该方法通过在高温下使碳源气体在催化剂的作用下发生反应，形成碳纳米颗粒。
溶胶凝胶法是另一种常用的制备碳纳米颗粒的方法。
该方法通过将碳源和溶剂溶解在一起，形成溶胶，然后经过凝胶化和热处理，最终得到碳纳米颗粒。
碳化合物热解法则是利用碳化合物在高温下发生热解反应，生成碳纳米颗粒。
不同的合成方法可以得到不同形态和结构的碳纳米颗粒，这对于其后续的应用和研究具有很大的影响。
接下来，我们将研究碳纳米颗粒的电化学性能。
由于碳纳米颗粒具有高比表面积和优异的导电性能，因此在电化学领域有着广泛的应用前景。
首先，碳纳米颗粒可以作为电化学催化剂的载体。
通过在碳纳米颗粒表面修饰上不同的功能化基团，可以使其具有强大的催化活性。
例如，氮掺杂的碳纳米颗粒可用于氧还原反应，从而应用于燃料电池和金属空气电池等能源转换器件中。
其次，碳纳米颗粒还可以用于超级电容器的制备。
由于其高比表面积和良好的电导率，碳纳米颗粒能够提供更多的储能空间，并且具有较高的电容性能。
此外，碳纳米颗粒还可以用于制备锂离子电池和钠离子电池的电极材料，具有很高的电化学稳定性和可靠性。
最后，我们来探讨碳纳米颗粒在电化学性能研究中的一些挑战和未来发展方向。
目前，虽然碳纳米颗粒在电化学领域得到了广泛的应用，但仍存在一些挑战。
首先，碳纳米颗粒的制备方法需要不断改进，以获得更高的纯度和更均一的颗粒尺寸。
其次，碳纳米颗粒的电化学性能研究需要更加系统的理论和实验方法的支持，以深入了解其内部的电化学反应过程。
纳米碳材料的制备与应用
纳米碳材料的制备与应用纳米碳材料是一种颠覆性的材料科学，它的出现和发展始终引起人类和科学界的广泛关注。
在现代材料科学领域中，纳米碳材料的研究和应用已经成为一种重要的趋势。
纳米碳材料由于其独特的物理和化学性质，被广泛应用于电子、能源、催化、生物医学等领域。
一、纳米碳材料的制备碳材料是指除了碳化物以外，其主体的化学成分为碳元素的材料，其中纳米碳材料是指粒径在1~100纳米范围内的碳材料。
目前生成纳米碳材料的主要方法包括化学气相沉积、物理气相沉积、化学还原法和碳化物还原法等。
化学气相沉积法是一种常用的纳米碳材料制备方法。
该方法通过气相反应在高温下生成纳米碳材料，主要反应过程为碳源分解，碳原子聚合。
化学气相沉积法具有操作简单、系统复杂度低等优点，且制备的碳材料纯度高、晶体性能好。
但其存在碳纳米管或石墨烯布局不规则、有缺陷等问题。
物理气相沉积法是另一种纳米碳材料制备方法。
该方法主要包括热蒸发沉积和磁控溅射法。
热蒸发法将石墨块加热，然后在惰性气氛下将其沉积在基底上，可以制备出高度结晶、纯度高的纳米碳材料。
相较于热蒸发法，磁控溅射法制备出的纳米碳材料粒度更小、更均匀，并具有更好的电学性能，是当前制备高质量碳纳米管和石墨烯的主要方法之一。
化学还原法是制备石墨烯和纳米碳材料的重要方法之一。
该方法通过还原剂将氧化石墨中的氧还原成气体，从而生成石墨烯或纳米碳材料。
该方法具有制备过程简单、工艺稳定等优点，但也存在生产效率低、纳米碳材料质量参差不齐等问题。
碳化物还原法是化学气相沉积和物理气相沉积的结合，它利用碳化物气体对氧化的金属粉末进行还原，在高温条件下即可制造出有序的纳米碳材料。
这种方法具有制备成本低、生产效率高的优点，但是制备难度较大。
二、纳米碳材料的应用1. 电子领域纳米碳材料具有优异的电学性能，如电导率高、电子传输速度快、表面积大等，因此在电子领域得到广泛应用。
纳米碳材料可用于制造电子互联线、电子设备性能优化、电子材料弹性密度、增强机械性能等领域，可以提高材料的导电性能和橡胶塑性变形，产生优异的导电、射频（RF）和微波电磁性质。
用于高效析氧反应的优化电子构型con纳米片的制备方法
用于高效析氧反应的优化电子构型
con纳米片的制备方法
近年来，为了解决能源与环境危机，人们不断地寻求能够有效而安全析氧的新
型电化学方法，把氧分子开裂为氧和氢的过程可提供大量的能量，利用高效的电子构型纳米片可能是解决析氧反应的首选方法之一。
本文介绍了一种用于高效析氧反应的优化电子构型纳米片的制备方法，用于节能环保和能源利用。
本文介绍的优化电子构型纳米片制备方法，利用了一种 ==磷化物沉积技术==，把有机物原料分解成磷和亚甲烷。
根据研究，通过使用磷化物沉积技术，可以有效地控制磷在多层结构中的排列以及它能够把电子从层间转移的能力，从而改变纳米结构的电子构型，调节析氧反应的物理特性。
经过优化的纳米片电子构型以及特殊的无机负载结构，可以有效地强化析氧反应，增加活化能和膜碱电极效率。
同时，这种优化的纳米片电子构型还可以防止电极表面氧化和生锈等问题，保证析氧反应稳定运行。
本文提出的制备高效的优化电子构型纳米片的方法，有效利用了磷化物沉积技术，可以改变纳米片构型，增加活化能，保护电极表面，使析氧反应高效而稳定运行，为析氧反应提供了一种优化技术，有助于节能环保和能源利用。
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２０１８年 第 ６期
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第 ４５卷 总 第 ３６８期
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