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石墨烯-金屬卟啉的制備及其催化氧氣還原性能的研究

2014-09-10 11:05:34熊樂艷鄭龍珍鄒志君葉丹董澤民
湖北農業科學 2014年11期
關鍵詞:復合材料

熊樂艷+鄭龍珍+鄒志君+葉丹+董澤民+亢曉衛+紀憶+黃丹靈

摘要:合成了一系列石墨烯-金屬四苯基卟啉(GR-MTPP)的復合材料,并將該復合材料作為電催化劑應用于氧氣還原反應中?通過金屬離子與四苯基卟啉發生配位反應得到金屬四苯基卟啉(FeTPP?CoTPP?NiTPP?CuTPP?ZnTPP?MnTPP),進一步通過π-π堆積作用合成了一系列新型的石墨烯-金屬卟啉復合材料,并將其修飾到玻碳電極上,研究其催化氧氣還原的反應?結果表明,該復合材料在DMF與水的混合溶劑中分散性能良好;石墨烯與金屬卟啉的協同作用使其催化氧氣還原性能更優;該類復合材料尤其是GR-FeTPP與GR-CoTPP在中性溶液中(pH=7.0)顯示出良好的對氧氣還原的電催化性能?GR-FeTPP催化氧氣還原的電位在-0.24 V處,響應電流為85 μA;GR-CoTPP催化氧氣還原的電位在-0.19 V,響應電流為44 μA?表明石墨烯-金屬卟啉復合材料是氧氣傳感器良好的電催化劑?

關鍵詞:石墨烯;金屬四苯基卟啉;復合材料;氧氣還原反應;電催化劑

中圖分類號:TP212.3文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2014)11-2611-05

Preparation of Graphene-metalporphyrin Nanocomposite Materials and Its Electrocatalytic Activity for Oxygen Reduction Reaction

XIONG Le-yan,ZHENG Long-zhen,ZOU Zhi-jun,YE Dan,DONG Ze-min,KANG Xiao-wei,JI Yi,HUANG Dan-ling

(Department of Chemistry and Chemical Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

Abstract: A series of graphene-metal-tetraphenylporphyrin(GR-MTPP) nanocomposite materials were prepared and applied in the oxygen reduction reaction as efficient electrocatalysts. MTPPs(FeTPP,CoTPP,NiTPP,CuTPP,ZnTPP and MnTPP) were synthesized via a coordination reaction between metal ions and TPP. Graphene-metal-tetraphenylporphyrin nanocomposition materials were successfully prepared by the π-π stacking interaction and applied in the electrocatalytic oxygen reduction reaction. The results showed that GR-MTPPs exhibited enhanced electrocatalytic activity toward oxygen reduction due to the synergistic effect between the graphene and MTTP. The large electro-active surface area and fast charge transfered of graphene facilitated the electrocatalytic oxygen reduction of MTPP. The GR-FeTPP showed the peak potential at -0.24 V with the current response of 85 μA for the eletrocatalytic reduction of oxygen. The GR-CoTPP showed the peak potential at -0.19 V with the current response of 44 μA for the eletrocatalytic reduction of oxygen. It is indicated that GR-MTPP nanocomposite materials are prominent electrocatalysts for oxygen sensors.

Key words: graphene; metal-tetraphenylporphyrin; nanocomposite material; oxygen reduction reaction; electrocatalyst

基金項目:國家自然科學基金項目(21163007;21165009);江西省主要學科學術和技術帶頭人計劃項目(20133BCB22007);江西省自然科學基金項目(20132BAB203012)

水中溶解氧的含量對許多化學和生物反應有很大的影響,因此溶解氧生物傳感器在環境?醫療?工業? 環保等方面有著廣泛的應用[1,2]?與傳統檢測溶解氧的光化學技術(如熒光[3]?化學發光[4])相比,電化學傳感的檢測方式具有便宜?簡易?靈敏度高等優點[5,6]?

卟啉是一類具有諸多重要酶活性點的仿生性質的大π結構的化合物,可作為一種具有良好電催化性能的的電子媒介體?卟啉與金屬離子螯合形成穩定的金屬配位化合物,可以作為氧氣還原反應的高效催化劑而被廣泛的應用[7]?然而金屬卟啉催化氧氣還原反應通常都在酸性溶液中進行,這就限制了其在生物體系中的應用[8]?石墨烯也是一類二維大π結構的碳納米材料,具有獨特的光學性能?催化性能?電子性能?機械性能以及大比表面積等特點,廣泛應用于各個領域[9,10]?

近年來,卟啉與石墨烯的復合材料被人們廣泛關注,二者之間可以通過共價鍵[11]和非共價鍵[12]結合起來?與共價鍵相比,非共價鍵(如π-π堆積?靜電吸引和氫鍵等)的結合方式,既能保持卟啉大分子優良的電催化性能,又不會使石墨烯獨特的電子特性和結構特征遭到破壞[13]?

在本研究中,通過π-π堆積作用制備了一系列新型的石墨烯-金屬卟啉(GR-MTPP)納米復合材料?與金屬卟啉相比較,GR-MTPP復合材料催化氧氣還原反應的過電位降低,響應電流增加,表明該材料是氧氣傳感器優良的電催化劑?

1材料與方法

1.1金屬卟啉(MTPP)的制備

將1.5 g四苯基卟啉加入三頸瓶中,加入DMF(N,N-二甲基甲酰胺)至卟啉剛好完全溶解為止?加熱至回流,分別加入1.0 g金屬鹽(FeCl3?CoCl2?NiCl2?CuCl2?ZnCl2?MnCl2)反應1 h后,加入0.50 g NaCl繼續反應,反應時間約為5 h?減壓蒸餾出大部分DMF,冷卻,加入大量的冷水使金屬卟啉結晶析出,然后加入濃鹽酸酸化?進行抽濾,用去離子水充分洗滌晶體,干燥,用二氯甲烷和無水乙醇的混合溶劑重結晶晶體,得到1.37 g的產品,產率為91.3%?

1.2石墨烯(GR)的制備

氧化石墨烯(GO)采用石墨粉通過改進的Hummers方法制備?取50 mL GO(0.25 mg/mL)于圓底燒瓶中,加入14 μL水合肼和150 μL氨水,70 ℃下攪拌12 h,離心?洗滌?干燥,得到石墨烯?

1.3石墨烯-金屬四苯基卟啉復合材料的制備

將GR(0.5 mg/mL)與MTPP(1 mg/mL)按1∶1的體積比分散在混合溶劑(DMF/H2O=4∶1,V∶V)中超聲混合10 min,得到GR-MTPP復合材料?由于GR與MTPP均為具有大π結構的物質,故二者可以通過π-π堆積作用進行結合形成穩定的復合材料,GR與MTPP的結合方式如圖1所示?

1.4修飾電極的制備

電極預處理:玻碳電極分別用0.3 μm和0.05 μm 的Al2O3粉拋光,依次用無水乙醇和去離子水超聲洗滌10 min,氮氣吹干待用?分別取5 μL的GR-MTPP?MTPP溶液滴加到電極表面,于4 ℃冰箱中過夜自然干燥,即可得到所需的生物傳感器?

1.5試驗方法

采用三電極體系,以玻碳電極或修飾電極為工作電極,鉑電極為對電極,Ag/AgCl(飽和KCl溶液)電極為參比電極,采用循環伏安(CV)法在0.1 mol/L磷酸緩沖溶液(PBS,pH=7.0)中研究修飾電極的催化氧氣還原性能?

2結果與分析

2.1紅外光譜表征

在TPP的紅外光譜(圖2)中,波數3 316 cm-1處為卟啉環內吡咯中的N-H伸縮振動特征吸收峰?通過對比TPP與各類MTPP的紅外光譜圖可見,金屬卟啉的紅外譜圖中N-H的震動吸收峰消失,表明金屬離子已取代卟吩環內的吡咯質子生成了金屬卟啉?

從GR的紅外光譜(圖3)可知,波數3 437 cm-1處為羥基峰,2 928~2 974 cm-1處為C-H伸縮振動峰,1 620 cm-1處為C=C峰,1 106 cm-1處為C-O-C峰,1 650~1 900 cm-1處未出現C=O峰,說明氧化石墨烯還原得比較完全?將GR-MTPP復合材料的紅外光譜圖與GR及MTPP的紅外光譜圖進行比對可知,各個GR-MTPP的特征吸收峰與MTPP的相比均發生偏移(如C-N峰),且這些特征吸收峰的吸收峰值變小;與GR的特征吸收峰相比,吸收峰的峰位置也發生了偏移且出現了MTPP的特征吸收峰?這些結果均表明,GR與MTPP之間沒有產生新的化學鍵,而是通過非共價鍵的方式結合的?

2.2紫外光譜表征

采用紫外-可見吸收光譜對GR-MTPP納米復合材料進行了表征?如圖4所示,MTPP在413~426 nm處出現一個尖的Sort帶吸收峰?在500~620 nm處出現了一些弱的Q帶吸收峰,這些吸收峰為金屬卟啉的特征吸收峰?隨著石墨烯的加入,金屬卟啉的尖峰及Q帶吸收特征峰的位置發生偏移,峰值增加?這些變化是由于石墨烯與金屬卟啉之間發生了π-π堆積作用,使得金屬卟啉的大π鍵共軛作用增強所致?其中CoTPP紫外-可見吸收光譜中,隨著石墨烯的加入,CoTPP在414 nm處的特征吸收峰逐漸降低,在432 nm處出現一個新的吸收峰并逐漸增大,這表明CoTPP通過很強的π-π相互作用堆疊在石墨烯表面上?

圖5為MTPP及GR-MTPP復合材料的光學照片?從圖5可以看出,MTPP及GR-MTPP材料在混合溶劑(DMF/H2O=4∶1)中均有良好的分散性能?將GR-MTPP與MTPP的分散液進行比較,加入GR后的復合材料顏色發生了變化,且不是單純的顏色變深(如FeTPP由棕黃色變成綠色)?這就表明石墨烯與金屬卟啉之間的相互作用不是簡單的混合,而是以一種特殊的方式進行結合的?

2.3電催化氧氣還原反應

圖6為MTPP和GR-MTPP(在氧氣氣氛和氮氣氣氛下)催化氧氣還原反應的循環伏安?從圖6可知,MTPP和GR-MTPP對于氧氣還原反應均具有良好的催化效果?與MTPP相比,GR-MTPP催化氧氣還原的催化電位均有所正移,電流響應也增大很多,表明GR-MTPP復合材料在催化氧氣還原的過程中有效地降低了過電位,其催化活性也得到了很大的提高?GR-MTPP復合材料催化性能的提高可能是由于MTPP與GR之間的協同作用產生的?

MTPP和GR-MTPP催化氧氣還原反應的催化電位及響應電流見表1?由表1可知,MTPP催化氧氣還原的催化電位在-0.61~-0.36 V處,響應電流為19~48 μA?而GR-MTPP催化氧氣還原的催化電位正移到-0.49~-0.19 V處,響應電流增大到44~85 μA?其中,以GR-FeTPP與GR-CoTPP催化氧氣還原的效果最佳?GR-FeTPP催化氧氣還原的電位為-0.24 V,催化電流增大到85 μA;GR-CoTPP催化氧氣還原的電位降低到-0.19 V,響應電流為44 μA?因此,GR-FeTPP與GR-CoTPP是氧氣傳感器良好的電催化劑?

3結論

本研究利用一種簡單的方法合成了一系列GR-MTPP納米復合材料,并采用傅里葉紅外光譜和紫外-可見吸收光譜對該材料進行表征,結果表明GR與MTPP是通過強的π-π堆積作用進行合成的?將GR-MTPP復合材料應用于催化氧氣還原反應的研究,該復合材料能夠有效地降低氧氣還原反應的過電位,提高了其催化活性?其中,GR-FeTPP催化氧氣還原的催化電位在-0.24 V處,響應電流為85 μA;GR-CoTPP催化氧氣還原的催化電位在-0.19 V,響應電流為44 μA?GR-FeTPP和GR-CoTPP可以作為氧氣傳感器優良的電催化劑,可應用于水中溶解氧氣濃度的檢測?

參考文獻:

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