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以sp2杂化碳为主体的石墨、碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)、玻碳(glassycarbon,GC)等各种碳材料电极具有复杂多变的表面,尤其是含有丰富的含氧功能基团,从而表现出不同电化学性能;然而,对含氧功能基团和电极反应动力学之间的关系迄今尚缺乏深入系统了解,这是碳材料界面电化学的基本问题之一。
本论文针对这一问题,拟采用电化学活化与真空热处理相结合方法,调控玻碳电极表面含氧基团的种类和比例,并以碳纳米管为对照;通过调查抗坏血酸(ascorbic acid,AA)、Fe3+/2+电化学分子探针的氧化还原行为,结合FTIR和XPS表征方法,研究体相结构不同的sp2杂化碳电极的电子传导动力学特性与表面含氧基团之间的共性问题。
论文的第三章,通过电化学活化、真空加热处理方法调控碳电极表面含氧基团,调查电化学活性含氧基团,以及电极对AA和Ve3+/2+电化学分子探针的氧化还原行为。实验结果表明:电化学活性含氧基团可分为两类,其电化学氧化还原发生在不同的电位;高真空热处理可有效调控表面含氧基团的种类,进而改变电极动力学性质;恒电位活化的玻碳电极比循环伏安活化的具有更佳的电子传导动力学性质,其电催化氧化AA的活性点可能不仅涉及电化学活性的羰基(醌基),还包括其它活性位点(如H3P+-Cπ结构)。
在第四章和第五章中,通过FTIR和XPS研究表面含氧基团的种类和比例分布。进一步证实了除羰基(醌基)外,羧基也可发生电化学氧化还原且还原产物可能不是甲醇。恒电位活化的玻碳被电化学氧化后,C-O的IR峰和XPS峰都异常增强,进一揭示表面可能存在更复杂的电活性点或基团;200℃低温热处理使恒电位活化玻碳电极表面的醌基和羧基含量减少,而特殊结构的酯基[-O(C=O)-O—含量增加;MWCNTs-COOH表面醌基和-O(C=O)-O-酯基含量增加,而羧基含量减少;经800℃热处理,MWCNTs-COOH与玻碳相比,除醌基之外,其他含氧基团的含量均减小。