Fenton氧化对多壁碳纳米管掺杂性能及电催化性能的研究

文献综述

1.1研究背景

1991 年日本电镜学家 Iijima 发现多壁碳纳米管^［1］（ Multi -Walled Carbon Nanotubes，MWNTs）以来，由于其独特的物理化学、机械及电学性质，这种纳米尺度的新型碳材料在许多领域都显示出巨大的 应用潜力，如超强度的复合材料、纳米电子器件、场发射显示器件以及储氢材料等。理论预测和实验研究表明 CNTs 具有优异的光学、电学和力学性能，因而迅速成为物理、化学和材料科学等领域的研究热点。然而，作为典型的一维纳米材料，CNTs 在范德华力和缠绕作用的共同影响下，容易形成多级团聚体。此外，CNTs 端部处于闭合状态，难与其他材料润湿，这些使 CNTs 的分散性和化学活性较差，成为 CNTs 在许多领域应用面临的主要障碍之一^［2］。

1.2改性方法

为此，近年来国内外研究人员采用2种化学方法来改善CNTs 的分散性和表面活性，一是通过氧化法切割多壁碳纳米管 ，而是通过引入活性基团实现对多壁碳纳米管的表面修饰。外国科学家Georgak等人用强酸和混酸使碳纳米管表面的缺陷氧化形成羧酸，然后利用酚类或胺类化合物与之作用形成脂或酰胺，从而改善碳纳米管的溶解性和分散性^［3］。

1.3 Fenton试剂氧化处理

国内学者李伟等人利用Fenton试剂在酸性条件下能够产生具有强氧化性和强亲电性双重性质的羟基自由基（HO·）的特点，采用试Fenton剂对多壁碳纳米管进行了化学处理，其结果用红外光谱来表征^［4］。根据HO·的产生机理并结合化学处理前后多壁碳纳米管的红外光谱变化，讨论了Fenton试剂化学处理的影响因素，探讨了Fenton试剂与多壁碳纳米管作用的可能机理.Fenton试剂是一种常用的高级氧化技术,相对其它AOPS而言,具有操作过程简单、反应物易得、费用便宜、无须复杂设备且对环境友好性等优点,已被逐渐应用于染料、防腐剂、显相剂、农药等废水处理工程中,具有很好的应用前景^［5］。采用Fenton试剂改性碳纳米管，主要是利用 Fe² 酸性条件下能够催化 H₂O₂ 分解产生具有强氧化能力HO·。HO·是缺电子基团，具有很高的亲电性和很强的加成反应特征^［6］，能够攻击碳纳米管上的不饱和化学键和缺陷位置，从而实现对碳纳米管的化学改性。因此，HO·的多少直接决定了Fenton试剂化学处理对碳纳米管表面和结构的影响即碳纳米管改性效果。Fenton试剂产生HO·的机理如下^［7］：

Fe² H₂O_{2 =} Fe³ HO· OH ^- （1）

Fe³ H₂O_{2 =} Fe² HOO· H （2）

Fe² HO· ₌ Fe³ OH ^- （3）