Pt基纳米材料的制备及其在燃料电池和免疫传感器中的应用

发布时间：2019-01-06 15:17

【摘要】：随着科学技术的飞速发展,人们的物质生活水平也在逐渐的提高,所以人们对自己的身体健康状态也越来越关注了;也因此对环境,能源等各方面的要求也越来越高,所以,近年来对能源,生物,环境安全等领域的研究也越来越多。因为纳米材料的粒径大小在1~100 nm之间,所以具有特殊的结构和较大的比表面积,因此,和常规材料相比,具有一些特殊的物理性质和化学性质。正因为纳米材料有着诸多的优点,所以在传感器,燃料电池,环境检测等领域都得到了广泛的应用。直接甲醇燃料电池(DMFC)具有安全,高效等特点,且在室温等温和条件下就能进行反应,因为电池中的燃料为甲醇,所以燃料电池在储存和运输等方面都非常方便。因此,可以作为一种解决能源危机和环境污染的发电装置,且因为体积小,所以在移动电源和便携式电源等领域都具有良好的发展前景。然而,因为甲醇的催化氧化过程中生成的中间产物CO等容易引起Pt催化剂的中毒,而造成催化剂的催化活性降低,稳定性减弱,所以,研制出拥有高催化活性和高稳定性等优良性质的催化剂就显得尤为重要。电化学免疫分析法是一种通过抗原和抗体之间的特异性反应来检测样品中的抗原或抗体的浓度的分析方法,因此这种方法具有很高的特异性和选择性。电化学免疫传感器将免疫分析方法和电化学传感两种技术结合在了一起,并利用抗体、酶等作为感受器,然后通过转换器把反应产生的化学信号转化为电信号的一种生物传感器。由于其结合了免疫分析技术和电化学传感技术,所以传感器同时拥有这两种技术的优点,既具有较高的选择性,又具有较高的灵敏度。在这篇论文中,我们从纳米颗粒的形貌与组分等对纳米材料进行了详细的研究,使纳米材料在电化学免疫传感器领域和直接甲醇燃料电池领域的性质得到改善,与此同时,在传感器和燃料电池的各种性能也因为纳米颗粒的加入而得到了很大的提高。这篇论文的具有研究内容如下:1 Pd@PtM(M=Co,Ni,Cu)纳米颗粒的制备及其对甲醇的电催化氧化的研究为了进一步探究纳米材料在直接甲醇燃料电池中对催化剂的性能的影响,我们在这篇文章采用晶种的方法,通过异相成核过程,在表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)存在的条件下合成了能控制形貌的Pd@PtM(M=Co,Ni,Cu)核-壳纳米颗粒。实验中我们制备的Pd@PtM纳米颗粒的内核为Pd纳米颗粒,壳层金属为PtM合金。核-壳结构的使用降低了纳米颗粒中铂的浓度,提高了Pt的利用率,并且第一周期过镀金属的引入增强了甲醇电催化氧化的电流密度和稳定性。另外,我们还研究了不同的第二种过渡金属的加入对催化剂的稳定性和催化活性的影响。从实验结果可以看出,在这几种催化剂中,Pd@PtCu的催化活性和稳定性是最好的,且与商业铂黑相比较时,Pd@PtCu催化剂仍然表现出较好的催化活性和稳定性。2具有不同壳层厚度的Pd@PtRu纳米颗粒的合成及其对甲醇的电氧化的探究在金属纳米材料中,不同金属的含量和比例不同对催化剂的影响也大不相同,在这篇文章同样采用晶种的方法,利用异相成核过程在表面活性剂PVP存在的条件下合成了具有不同壳层厚度的Pd@PtRu纳米颗粒。在制备的Pd@PtRu纳米颗粒中Pd为内核,PtRu为壳层金属。在这项工作中,我们注意到具有不同壳层厚度的催化剂的性质会有所不同,并且,壳层中Pt和Ru的比例不同,催化剂的性能也有所不同。因为核壳结构的合成使纳米颗粒催化剂中Pt的浓度减少了,所以增加了贵金属Pt的利用效率。更重要的是,在催化剂中,金属Ru可以吸附甲醇电催化氧化过程中生成的CO,OH等中间产物,从而使金属Pt表面具有更多的可用于甲醇电催化氧化的活性位点,这就使催化剂催化甲醇氧化的电流密度的增加,从而导致催化剂的活性的提高。3基于金-铂纳米颗粒的无标记的电化学免疫传感器的制备及癌胚抗原的检测因为纳米材料具有较高的的比表面积,且生物相容性较好,因此能促进底物与电极之间的电子传输,而且还能很好的固定抗原,抗体等生物分子。所以,在这篇文章中,我们使用功能化的单壁碳纳米管(SWCNT)来负载金-铂(Au-Pt)双金属纳米颗粒,制备出了一种新型的,无标记的,用于检测癌胚抗原(CEA)浓度的电化学免疫传感器。在实验时,首先将羧基化的碳纳米管滴在干净的玻碳电极上面,然后采用电沉积的方法将Au-Pt双金属纳米颗粒沉积在碳纳米管表面,玻碳电极表面因为有双金属纳米颗粒的修饰;因为抗原和抗体都是属于蛋白质类的,所以,当把anti-CEA滴加在修饰后的电极表面时,anti-CEA可以通过蛋白质和Au-Pt之间的相互作用而牢牢地吸附在Au-Pt纳米颗粒的表面上,而不容易脱落。在该电化学免疫传感器中,因为有Au-Pt纳米颗粒和SWCN的加入,使得电极的表面覆盖率和导电性增加,并且因为纳米颗粒的较高的生物相容性使吸附在电极表面的抗体的数量大大增加。所以,在最优的条件下,该电化学免疫传感器具有很低的检测线,且线性范围很宽。此外,本实验中设计的免疫传感器还表现出了很好的稳定性,选择性和重现性。而且,当把该实验制备的电化学免疫传感器用于检测人的血清样品时,检测结果与酶联免疫吸附测定(ELISA)的结果十分吻合,因此,该方法可以用于临床监测。更重要的是,通过改变相应的抗体种类,这种方法可以扩展为其他生物标记物的定量检测,因此代表了一个通用的检测方案。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1

【参考文献】