基于氧化铜纳米材料三维多孔结构的可控制备及其电化学性能研究

发布时间：2020-04-05 19:25

【摘要】：过渡金属氧化物因其独特的物理化学性能近年来受到了越来越多的关注。研究表明,过渡金属氧化物的性能与材料的尺寸、形貌、组成和结构有很大关系。当尺寸减小到纳米尺度时,过渡金属氧化物将会表现出各种各样新的物理化学特性,这些特性使得过渡金属氧化物成为纳米器件的理论研究与实际应用的理想选择。其中,CuO纳米材料因其化学稳定性好、比表面积大、原料成本低、具有多形态纳米尺寸和环境友好等优势得到了广泛的研究与应用。三维纳米材料具有稳定的结构,有较大的比表面积,能够提供更多的活性位点和层次化的多孔通道,使离子的扩散通道变短。因此,利用三维多孔纳米材料可以有效提高纳米材料的电化学性能。本文通过简单易行的合成方法制备形貌、质量可控的CuO纳米材料,将其与三维多孔纳米结构复合,得到具有相应电化学性能的新型材料并分别应用于超级电容器和葡萄糖传感器。研究内容与结果包括:(1)超细CuO纳米颗粒嵌入三维网状石墨烯纳米复合结构作为高性能柔性超级电容器的研究将超细CuO纳米颗粒通过原位热分解的方法嵌入在碳布上生长的三维网状石墨烯(CuO/3DGN/CC),得到导电性好、比表面积大、氧化还原性能优异的新型电极材料。通过调控CuO的沉积质量优化其性能,并对制备好的电极进行电化学测试。结果表明,材料的比电容和面电容分别可以达到1539.8 F g~(-1)和2787 mF cm~(-2)。电极也显示了很好的稳定性,当电流密度为6 mA cm~(-2)时,循环1000次后电容仍然可以保留82.6%。另外,利用CuO/3DGN/CC纳米材料可以制备出柔性固态超级电容器器件,该器件在各种弯曲角度下显示出几乎不变的循环伏安特性,展示了其在可穿戴电子器件中的发展潜力。两个面积为2×4 cm~2的固态超级电容器器件串联可以为9盏发光二极管(LED)供电超过三分钟,这表明CuO/3DGN/CC纳米复合结构作为能量存储器件的电极材料具有可观的应用前景。(2)CuO纳米颗粒与(001)面暴露的TiO_2纳米片阵列复合作为无酶光电化学葡萄糖传感器的研究通过水热法将(001)面暴露的TiO_2纳米片阵列生长在碳布上(TiO_2/CC),并利用二次水热法将CuO纳米颗粒附着于TiO_2纳米片阵列的表面,形成生长在碳布上的三维CuO/(001)TiO_2异质结。由于TiO_2对光照的敏感性,该异质结被用于无酶葡萄糖光电化学传感器性能的研究。通过调控CuO的沉积质量,得到最优葡萄糖传感器结构时,器件对葡萄糖的最大响应灵敏度为5530.14?A mM~(-1) cm~(-2),高于之前报道的所有类似结构的传感器。另外,该结构也展现了最低检测极限0.2?M以及理想的线性范围0.2-680?M.这些卓越的性能归功于(001)面暴露的TiO_2纳米片阵列为CuO的沉积和葡萄糖分子的氧化提供了大量的活性位点,也归功于CuO/(001)TiO_2异质结对光生电子空穴对的有效分离以及碳布极好的电荷收集和传递性能。这种结构为半导体基无酶光电化学葡萄糖传感器的进一步研究提供了一种新的思路。
【图文】：

生物传感器,基本结构,电化学生物传感器

消耗或生成的化学物质，或产生的光、热等现象转变为电信号，电信号经过电子技术处理后，在仪器上显示或记录下来。生物传感器是传感器的一种，是指利用酶、免疫系统、组织、细胞器或整个细胞等生物活性成分的特异性生物反应结合电、热、光等各种信号对化学物质进行检测的装置。生物传感器可以按照不同的分类方式进行分类。按照生物识别元件的不同，，可以分为酶生物传感器、免疫生物传感器、微生物生物传感器、细胞生物传感器和组织生物传感器；按照信号转换原件的不同，可以分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、光生物传感器、声波生物传感器和热生物传感器。其中，基于电化学技术的电化学生物传感器受到了越来越多科研工作者的亲睐。电化学生物传感器可以将生物识别分子与被测定的物质底物发生的反应以电信号的形式读取出来，测试灵敏度高、信号采集便利、易于器件化整合。基于以上优点，电化学生物传感器在临床检测、环境监测、生化分析、工业、农业以及食品检测等领域有着非常广泛的应用前景。

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重庆大学硕士学位论文 2 超细 CuO 纳米颗粒嵌入三维网状石墨烯纳米复合结构超级电容器性能研相应的 CuO 质量密度分别为 0.678 mg cm-2，1.36 mg cm-2，1.58 mg cm-2，2.04 mcm-2。作为对比，在 300°C 下加热 15 分钟后的纯 3DGN/CC 进行了同样的电化性能研究。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM53;TB383.1

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