摘要
经异质元素掺杂改性的碳材料具备良好的电子和化学性质，在传感检测、水处理等领域有着广泛应用。近年来，研究者不断报道了石墨烯、多孔碳、碳纳米管、纳米纤维以及富勒烯等碳材料的掺杂方法及应用。但这些制备方法存在步骤复杂、掺杂量低、不稳定等缺陷。本文采用硬模板法，选取成本低廉、来源广泛的麦羟硅钠石（MAG）作为模板、吡咯单体作为碳源和氮源一步合成前驱体，用于制备氮掺杂纳米碳材料，步骤简单，制备的氮掺杂纳米碳材料（CP）在传感检测和染料吸附中都表现出了优异的性能。 以实验室自制的MAG为模板，吡咯为初始碳源和氮源，采用硬模板法制备了一种氮掺杂纳米碳材料，并优化工艺条件，对其进行了测试表征。通过XRD、FTIR、BET表征发现，模板法成功制备了氮掺杂纳米碳材料，煅烧和刻蚀的过程使模板有效发挥了隔离作用，并最终被去除。其中模板剂的加入有效增大了材料的比表面积，使氮掺杂纳米碳材料的比表面积达到308.74m2/g，较未加入模板剂MAG的对照组提高了29.56倍，孔容增加23.35倍。通过调控前驱体的制备条件、煅烧温度、改变干燥方式，确定了MAG模板法制备氮掺杂纳米碳材料的最佳工艺。煅烧温度为600℃时N元素掺杂量约为7.22%。 CP氮掺杂纳米碳材料具有典型的类过氧化物酶活性，相较于天然HRP活性受pH和温度限制很大的缺陷，CP氮掺杂纳米碳材料的类酶活性在强酸、高温等极端恶劣的条件下都保持了较高的催化活性，使其具有了广泛应用和稳定储存的潜力。对其催化机理的研究表明，CP材料的类过氧化物酶活性来源于其高比表面积和稳定的负电性，反应动力学数据符合典型的Michaelis-Menten模型，对其关键参数的计算表明其对底物的亲和力比天然酶更高、类过氧化物酶活性更好。将其应用于特定物质的含量检测，可根据线性范围确定基于CP检测H2O2、葡萄糖和抗坏血酸的检测范围、检测限。 本文还将CP氮掺杂纳米碳材料用于刚果红染料废水的处理，结果表明，其最大吸附量可达558.97mg/g。吸附CR的过程可由准二级动力学方程、Langmuir热力学模型描述，属于自发吸附过程，且为吸热反应，CP吸附剂吸附CR的反应遵循单层化学吸附的规律，其高吸附量来源于高比表面积和材料表面掺杂后丰富的官能团。 本文不仅提供了一种新颖的利用模板法制备形貌可调控的氮掺杂碳材料的方法，也为其他异质元素掺杂碳材料的制备提供了一种思路。对研发基于氮掺杂纳米碳的化学传感检测器和新型吸附剂都具有参考意义。
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