| 摘 要： | 近年来,以有机-无机模板法制备碳材料的研究备受关注。通常以聚合物为碳源、矿物为模板,在惰性气体保护下碳化,然后去掉模板,释放矿物模板中的碳材料。由于不同矿物模板的结构各异,从而能够制备出具有不同结构特征的碳材料,如一维的碳纳米纤维(Fernandez-Saavedra et al.,2004)、二维的类石墨烯材料(Xu et al.,2013)和三维的多孔碳(Liu et al.,2013)。蒙脱石由于其化学惰性硅氧烷表面和可膨胀层间域结构,常被用作制备类石墨烯碳材料的理想模板。另一方面,蒙脱石作为一种高效廉价、环境友好的吸附剂,能被广泛应用于环境修复领域,特别是用于染料废水的处理。但要实现蒙脱石在染料废水中的推广应用,还需要解决吸附染料后废弃蒙脱石的处理处置问题。前期研究发现,在氮气气氛中碳化吸附结晶紫后的废弃蒙脱石,成功制备了碳单层-蒙脱石纳米复合材料,为废弃蒙脱石的回收利用提供了一种切实可行的方法(Chen et al.,2014;Zhu et al.,2015)。此外,阳离子染料通常含有除C和H以外的其他元素,如N、S等,这些异质原子可能会进入碳材料的晶格,从而影响碳材料的结构和性质。因此,模板制备法也许能作为制备异质原子掺杂型碳材料和回收利用废弃蒙脱石的有效手段。本研究以吸附阳离子染料亚甲基蓝(MB)后的废弃蒙脱石为前驱体,通过无氧碳化、交替酸洗来制备N、S共掺杂类石墨烯碳纳米材料,并采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)等方法对所得材料结构和组成进行分析,并对其电催化性能进行表征,重点研究了碳化温度对所得类石墨烯材料结构和性能的影响。实验结果表明,吸附MB后蒙脱石的层间距增至19.1,碳化后层间域高度随温度升高逐渐减小至4.4,略大于单层石墨烯厚度3.4,这是因为半径较大的S原子不能很好地适应sp2杂化碳网导致其略微突出二维平面造成的。所得碳材料的TEM图谱呈现高度透明的薄膜形貌,AFM图谱呈现出较光滑的表面和锯齿状的边缘,对应的高度图显示该碳片层厚度约为40,说明所得碳材料由十多层石墨烯单层堆叠而成。XPS结果显示,碳材料中同时含有C、N、S三种元素,且N主要以吡啶N、吡咯N和石墨N三种形式掺杂进入石墨烯结构中,S以噻吩S的形式存在。电化学测试结果表明,所制备的N、S共掺杂类石墨烯材料具有较好的氧还原反应催化性能和稳定性,有望用作燃料电池的阴极电催化剂。上述研究结果不仅为废弃蒙脱石的资源化回用提供了新途径,而且为异质原子掺杂类石墨烯碳材料的制备提供了新方法。
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