碳基纳米复合材料的制备及其在超级电容器和电化学传感中的应用

发布时间：2020-03-14 02:06

【摘要】：纳米材料由于结构的特殊性,具有比表面积大、吸附能力强、生物兼容性好等优点,表现出优异的电化学性能,因此在电化学传感器及超级电容器等领域有着广泛的应用。近年来,一些酶、过渡金属、过渡金属氧化物和导电聚合物等纳米材料被广泛应用于电化学领域中。然而随着对纳米材料研究的深入,发现单独使用纳米材料由于容易发生团聚,从而阻碍了电子传输,降低了材料的比表面积和电化学性能,因此当务之急是寻求合适的纳米复合材料解决这些难题。碳基材料如石墨烯和多孔碳是常用的负载纳米材料的支撑材料。石墨烯具有比表面积大、导电性好、良好的生物兼容性以及不具备可变价态难以发生氧化还原反应等优点。多孔碳具有来源广、比表面积大、价格低廉等优点。本论文主要在碳基材料基底上通过原位生长,电化学还原等方法负载纳米材料,构建出一体纳米复合材料电极,改善了单独使用纳米材料分散性能差的特点,同时由于一体电极的构建,不需要粘合剂,有效地避免了粘合剂对电化学性能的干扰。本论文的具体工作如下:1.首先采用电化学法分别用碳酸钾(K2CO3)和硝酸钾(KNO3),通过两步法将已经处理好的商用碳纸进行温和的电化学剥离,使用Raman光谱和扫描电子显微镜等技术研究发现碳纸表面被剥离后,出现典型的石墨烯层状褶皱结构,然后采用原位生长的方法在其表面生长四氧化三铁(Fe3O4),通过恒电流充放电测试,测得在电流密度为1 A g~(-1)时,其比电容为316.07 F g~(-1)。然后将其表面重氮盐功能化后,在1 A g~(-1)时比电容增加到470 F g~(-1),表现出良好的电容器性能。同时,此工作具有成本低廉、操作简单等优点。2.采用商业化丙烯酸酯胶带通过简单的物理剥离得到三维多孔柔性石墨烯电极(GTE),并基于此GTE构建了两种葡萄糖传感器:镍钴双金属柔性一体电极(Ni-CoNSs/GTE)和葡萄糖氧化酶-金纳米粒子-壳聚糖一体电极(GOD/AuNPs-CHIT/GTE),其中Ni-CoNSs/GTE对葡萄糖检测的线性范围为0.6mM到260mM(R=0.992)和1.36 mM到5.464 mM,(R=0.996)。GOD/AuNPs-CHIT/GTE对葡萄糖检测的线性范围为:0-14.0 mM(R=0.992),最低检出限为0.202 mM,灵敏度为9μA mM-1 cm-2。这两种葡萄糖传感器都具有良好的电化学性能,并能够成功应用于实际样品的检测。这些结果证实我们提出的三维多孔柔性石墨烯电极在电化学传感器领域具有潜在的应用价值。3.第三个工作采用三聚氰胺泡沫为前驱体,通过高温煅烧得到三维泡沫碳,然后将石墨烯组装到该三维的泡沫碳上形成石墨烯/三维泡沫碳纳米复合材料,最后在复合材料上面通过化学氧化法原位生长聚苯胺,得到泡沫碳/石墨烯/聚苯胺纳米复合材料(CC-GO-PANI),该材料表现出较高的比电容(在1 A g~(-1)电流密度下,比电容为1870 F g~(-1))以及很好的循环性能(在5 A g~(-1)下循环充放电5000圈,比电容下降为原来的95%)。此工作所用材料简单易得,同时,石墨烯与聚苯胺的负载降低了电子传递时产生的阻力,因此,本复合材料具有较高的比电容和较好的循环性能。表明该复合材料在超级电容器领域具有潜在的应用价值。
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电化学传感器,工作原理

2]。传感器几乎已经覆盖了我们生产生活的方方面面，在宇宙开发，海洋探测，医学检测，甚至文物保护方面都发挥着其不可替代的作用。因此，传感器技术的发展对于推动社会经济文化的进步具有重大的意义，世界各国都十分重视这一领域的发展。作为人体感官的延伸，，传感器可以相对应人类感官按功能分类：光敏传感器对应人体视觉[3]；声敏传感器[4, 5]对应人体听觉；气敏传感器[6, 7]对应人体嗅觉；化学传感器[8]对应人体味觉；以及压敏、温敏、流体传感器对应人体触觉。另一方面，我们也可以按传感器的工作原理将其分为根据物理效应（如压电效应，光电效应等）制备的物理传感器和根据化学现象（电化学反应、光化学等）化学传感器。1.1.2 电化学传感器化学传感器根据化学反应的原理不同划分为电化学、光学和热学三大类[6]。电化学传感器具有灵敏度高、价格低廉、响应速度快等优点，是目前研究和应用较为广泛的一种。

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硕士学位论文电化学传感器示意图，从图中可以看到，目标物质通过信体、无机材料等）然后通过信号转化元件（电化学传感器极、一体电极等）传输得到的电信号，然后经过信号处理或者通过特殊的计算方式获得可读取的信号输出[11-14]。示为常见的电化学三电极体系示意图，参比电极有着非常参比电极不会引起极化，有稳定的电位，而电流由工作。同时测得工作电极的电位和电流。经过了大量基础研究将逐渐向微型化、智能化、数字化以及商品化发展，以期品监测和环境监测在线检测的现场和家庭化。
【学位授予单位】：江西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1;TB33

【参考文献】