1、能源是人類活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，是可持續(xù)發(fā)展中重要的主體。提高能源利用效率和開發(fā)新能源是解決能源危機的有效途徑。因此開發(fā)廉價、高效率、高選擇性的催化劑是十分必要的。碳元素廣泛地分布在地球上，碳基材料十分廉價，由于卓越的物理、化學和機械性質(zhì)，這一類材料已經(jīng)得到越來越多的關(guān)注，并且已經(jīng)在許多領(lǐng)域中有所應用。本文通過溫和的實驗方法制備了不同碳基納米復合材料，并探索了這些碳基納米復合材料作為催化劑時在反應體系中的催化活性。本論文先后介紹了金納米粒子-

2、碳納米管(CNTs)復合催化劑，金納米粒子-氮化碳(C3N4)復合催化劑、C3N4-磷鎢酸銀(Ag3PW12O40)復合催化劑、碳納米點(CDots)-C3N4復合催化劑、氨基修飾碳納米點(NH2-CDots)、二氧化錳(MnO2)-C3N4復合催化劑的制備和光催化、電催化性質(zhì)，進一步探討這些復合材料的光、電催化機理。具體工作包括以下幾部分:
　　1、利用碳納米管的毛細作用，以及紫外光的還原作用，通過原位生長的方法制備了金納米粒子

3、與碳納米管的復合材料。紫外-可見吸收光譜(UV-Vis)、拉曼(Raman)、高分辨透射電鏡(HRTEM)測試結(jié)果顯示復合材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，在不加入氧化劑的條件下，以空氣作為氧化劑，在60℃下實現(xiàn)對環(huán)己烷的高效光催化氧化。并通過掃描電化學顯微鏡(SECM)、旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極（RRDE）等測試研究光催化機理。研究發(fā)現(xiàn)，限制在碳管內(nèi)的金納米粒子比在碳管外的金納米粒子催化效率更高（環(huán)己烷轉(zhuǎn)化率為14.64％）、對環(huán)己醇的選擇性更好(選擇性為86.

4、88％)。
　　2、以尿素為原料在550℃下熱解制備氮化碳(C3N4)，與氯金酸混合后，利用紫外光的還原作用原位在C3N4上生長金納米粒子，得到C3N4/Au復合催化劑。在不使用任何氧化劑的條件下（過氧化氫、氧氣等）光催化氧化環(huán)己烷，轉(zhuǎn)化率10.54％，對環(huán)己酮的選擇性高達100％。通過X射線衍射光譜(XRD)、紫外-可見吸收光譜(UV-Vis)、透射電鏡(TEM)等表征C3N4/Au復合催化劑。利用電化學檢測手段研究催化反應機理

5、。實驗表明，在光照條件下C3N4將水氧化成過氧化氫，過氧化氫在金納米粒子的作用下成為具有強氧化能力的羥基自由基，進而實現(xiàn)對環(huán)己烷的催化氧化。
　　3、以尿素為原料制得的C3N4與多酸銀鹽(Ag3PW12O40)復合用于光催化氧化烴類有機物（環(huán)己烷和環(huán)辛烯）。通過電化學測試發(fā)現(xiàn)，H2O在C3N4表面發(fā)生二電子氧化反應生成過氧化氫，在Ag3PW12O40催化作用下釋放出強氧化劑羥基自由基，繼而氧化環(huán)己烷和環(huán)辛烯。光催化氧化實驗結(jié)果顯示

6、在60℃下可見光光照反應48小時后，環(huán)己烷和環(huán)辛烯的轉(zhuǎn)化率分別為8.62％和41.26％，其中環(huán)己烷氧化生成環(huán)己酮的選擇性為99.0％，環(huán)辛烯轉(zhuǎn)化成環(huán)氧化環(huán)辛烷的選擇性可達到77.2％。
　　4、在純水中電解石墨棒得到碳納米點，經(jīng)過氨水處理后與尿素以一定比例混合，混合溶液在550℃下熱解制得CDots-C3N4復合催化劑。將其分散在純水中，不加任何犧牲劑，在光照下分解水釋放出氫氣和氧氣，實現(xiàn)光催化完全分解水。通過TEM、UV-Vi

7、s、BET等溫吸附曲線、FTIR、Raman和XPS等基礎(chǔ)表征手段研究復合催化劑的基本性質(zhì)。研究表明，復合催化劑的價帶和導帶的位置滿足光解水同時產(chǎn)氧和產(chǎn)氫的要求，CDots的加入可能引入了子帶帶隙（sub-band gap），增加對光譜的吸收范圍，最大吸收波長可以達到620 nm，這意味著可以更加有效地利用太陽光。改變加入CDots的比例，量子效率最大可以達到16％(420±20 nm)和6.2％(580±15nm)，太陽能轉(zhuǎn)化率(ST

8、H)為2％。電化學測試(RRDE和SECM)、同位素標記等方法被用來研究CDots-C3N4作為光解水催化劑的催化機理。研究表明，在光照的CDots-C3N4的催化作用下，首先水被氧化生成過氧化氫，隨后生成的過氧化氫在CDots的表面被快速分解釋放出氧氣。該非金屬催化體系十分穩(wěn)定（≥50天）。
　　5、為了進一步證實CDots-C3N4的催化機理，采用另外一種優(yōu)秀的分解過氧化氫的催化劑MnO2代替CDots，通過油酸還原高錳酸鉀(

9、KMnO4)的方法制備C3N4/MnO2復合催化劑。TEM、能量損失能譜(EELS)、XRD、UV-Vis等測試證明復合催化劑的結(jié)構(gòu)和組成。在光催化的實驗中，這種催化劑在可見光作用下同樣也表現(xiàn)出優(yōu)秀的光催化分解水的催化活性，量子效率QE=3.82％(420±20nm)。通過電化學測試研究光解水催化機理同樣為二電子的水氧化過程，產(chǎn)生的過氧化氫快速被附近的MnO2納米粒子分解釋放出氧氣。
　　6、碳納米材料在電催化方面同樣表現(xiàn)出優(yōu)秀的

10、催化活性。以水為電解質(zhì)，電化學消融石墨棒的方法合成CDots，將CDots溶液與氨水以不同比例混合，160℃下在聚四氟乙烯反應釜中反應12小時，獲得表面修飾氨基的CDots(NH2-CDots)。 NH2-CDots對電催化水氧化反應(OER)有很好的催化活性（電壓為1.60 V時電流密度可以達到16.5 mA cm-2）。通過控制反應條件，制得不同摻雜形式和不同摻雜量的NH2-CDots。實驗表明，氨基(-NH2)的含量與電催化活性成