石墨烯、四氧化三铁、金合成与应用

本科生毕业论文（或设计）（申请学士学位）

论文题目四氧化三铁/石墨烯/金的合成与应用

作者姓名

所学专业名称应用化学

指导教师

2012年 5 月27日

学生：（签字）学号：

论文答辩日期：2012 年 6 月 2 日

指导教师：（签字）

目录

摘要 (1)

Abstract (1)

1 引言 (2)

1.1 Fe3O4/石墨烯/Au催化剂的研究现状和意义 (3)

1.2 本文主要工作 (3)

2 实验 (3)

2.1 实验试剂与仪器 (3)

2.1.1 实验试剂 (3)

2.1.2 实验仪器 (3)

2.2 样品的制备 (3)

2.2.1 氧化石墨烯的制备 (3)

2.2.2 Fe3O4/石墨烯复合材料的制备 (4)

2.2.3 Fe3O4/石墨烯/Au复合物的制备 (5)

2.3 催化偶联反应性能研究 (5)

3 结果与讨论 (5)

3.1 扫描电镜(SEM)分析 (5)

3.2 X射线粉末衍射（XRD）分析 (8)

3.3 Fe3O4/石墨烯/Au的红外光谱分析 (10)

4小结 (10)

参考文献 (11)

致谢 (11)

四氧化三铁/石墨烯/金的合成与应用

摘要：采用水热法制备四氧化三铁（Fe3O4）/石墨烯（Graphene）复合物，再以其为载体负载贵金属金（Au）纳米颗粒，合成可磁性分离的Fe3O4/Graphene/Au(0)。制得的样品用X射线粉末衍射仪（XRD）、扫描电镜(SEM)、红外光谱仪（IR）等表征。实验结果证明了Fe3O4/Graphene/Au(0)在空气氛围下可高效催化溴苯与苯硼酸的Suzuki偶联反应。

关键词：Fe3O4/石墨烯/ Au（0）；催化；偶联反应；磁性分离

The preparation and application of Fe3O4/Graphene /Au(0)

Abstract: Using Hydrothermal synthesis method is to prepare Fe3O4/Graphene, which was then used as carrier to immobilize gold nanoparticles to synthesize the magnetic catalyst Fe3O4/Graphene/Au(0). These samples were characterized by X-ray powder diffraction (XRD), Scanning electron microscopy (SEM) and Infrared spectrometer(IR). The experimental results show that Fe3O4/Graphene/Au(0) can effectively catalyze Suzuki coupling reaction between bromobenzene and phenylboronic acid in air atmosphere.

Keywords: Fe3O4/Graphene/ Au(0);magnetic catalyst；suzuki coupling reaction;

1 引言

1.1 Fe3O4/石墨烯/Au催化剂的研究现状和意义

2010年的诺贝尔物理学奖由成功分离石墨烯的研究人员获得。石墨烯具备很多超越单层石墨的特殊性质，其独特的力学、电学、光学及磁学性能便引起了广泛关注。近几年来对石墨烯的理论研究、制备方法、功能化及其应用等，已成为国内外学者研究的热点。石墨烯自出现以来，石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨毡石墨烯中电子受到的干扰也非常小。鉴于石墨烯具有的独特结构和优异性能，石墨烯将成为可实现高速晶体管、高灵敏度传感器、激光器、触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等多种新一代器件的核心材料。石墨烯在复合材料、电子器件、储能方面、基因测序等领域等得到大量应用，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破[1]。

近年来对石墨烯在催化领域的研究探索也十分活跃。催化剂/石墨烯拥有高比表面积和高比例的表面原子数, 使得其与传统材料相比具有更高的催化活性[2]。石墨烯的功能化不仅可以解决在催化体系制备过程中的溶解性问题, 还提供了能诱导催化剂负载或嵌入的功能团, 甚至直接以共价键或非共价键使催化剂与石墨烯复合。Scheuermann 等人[3]利用石墨烯上存在的含氧基团吸引钯(Pd)纳米粒子催化剂嵌入, 以石墨烯作为催化剂的载体, 提高催化活性。经过多种表征证实相对于钯/活性炭的催化体系, 石墨烯作为载体时具有更高的活性,交叉频率超过了39000 h-1, 并且Pd 的浸出率也很低。

磁性纳米粒子是近年来发展起来的一种新型材料。磁性纳米粒子由于其超微尺寸，表现出许多

不同于普通纳米粒子所具有的四个基本效应，而且具有异常的磁学性能，如超顺磁性、高矫顽力、低居里温度和高磁化率等性质[4-5]。将其结合到生物分子（核酸、蛋白质和肽等）表面上时，产生的生物共轭物种由于尺寸依赖性和维度与大分子相似，很适合作为活性磁共振成像、药物释放和运输的大循环载体和组织工程的结构构架，同时又能用在分子识别与标记、DNA传感器和生物芯片中。因此磁性纳米粒子在核酸分析、临床诊断、靶向药物、细胞分离等领域的应用已成为研究的热点。

以石墨烯为基体负载铁氧体合成石墨烯/铁氧体复合材料，可以发挥以下优势：首先, 石墨烯的比表面积大,有利于活性组分的负载；其次, 铁氧体粒子的引入可以增强石墨烯的铁磁性, 有利于实现石墨烯/铁氧体复合材料的磁性回收。本文旨在合成四氧化三铁/石墨烯复合材料，并将之作为载体负载活性组分金纳米粒子，制成高催化活性的纳米级磁性催化剂，催化卤代芳香烃和苯硼酸的Suzuki 偶联反应。该磁性催化剂有望在外磁场作用下，更快速彻底地从产物中分离。

1.2 本文主要工作

（1）由文献报道的方法制备层状石墨烯。

（2）采用水热合成法制备Fe3O4/石墨烯。

（3）采用原位还原法还原制得Fe3O4/石墨烯/Au。

（4）Fe3O4/石墨烯/Au催化芳香烃和苯硼酸的Suzuki偶联反应。

（5）采用X射线粉末衍射仪、扫描电镜、红外光谱仪等来表征制得的石墨烯、石墨烯/四氧化三铁、石墨烯/四氧化三铁/金。

2 实验

2.1 实验试剂与仪器

2.1.1 实验试剂

石墨，FeCl3·6H2O(C. P.)，无水乙醇(A. R.), 丙酮(A. R.)，HAuCl4(A. R.), 乙酸乙酯(A. R.)，石油醚（60-90℃)，磷酸钾(A. R.)，甲苯(A. R.)，苯硼酸(A. R.)，溴苯(A. R.)，KSCN(A.R.),H2O2(A.R.), H2SO4(98%,A.R.),浓HNO3(A.R.),KClO3(A.R.),BaCl2(A.R.),柠檬酸钠，高锰酸钾（A.R.）,NaNO3(A.R.).

2.1.2 实验仪器

烧杯，量筒，玻璃棒，移液管，电子天平（Sartorius BP221S），台式电热鼓风干燥箱（DHG-9145A），二颈瓶，超声波清洗器，循环水真空泵（SHZ-DIII），冷凝管，78HW-1型磁力搅拌器，旋转蒸发仪(RE-5200D)，X-射线粉末衍射(XRD, Shimadzu XRD-6000, λ = 0.15406 nm, U = 40 KV, I = 30mA)，扫描电子显微镜(SEM, LEO-1350 VP) ，红外光谱仪（VECTOR TM 22）。

2.2 样品的制备

2.2.1 氧化石墨烯的制备

本实验根据文献[6~8]报道的方法制备：