改性碳纳米材料的电化学传感研究

发布时间：2020-04-19 06:44

【摘要】：纳米材料,尤其是碳纳米材料,是电分析和电催化中使用最广泛的纳米材料,在电化学传感器领域的发展中起着重要的作用。运用碳纳米材料,设计合适的电化学传感界面,可以实现电化学传感器构建中的一些关键的突破:使得分析物选择性地与传感器表面相互作用;实现识别元件的高效传导;提高电化学传感器的灵敏度和选择性,在灵敏度高的体系中响应时间的也进一步加快。通过对碳纳米材料进行合适地改性可以更好地满足电化学分析检测的要求。因此,本文采用几种简单的合成方法制备改性碳纳米材料,进一步提高碳纳米材料的电化学活性,并将其用于构建新型电化学传感器。具体工作如下:(1)采用三聚氰胺和一水合醋酸铜为前驱体利用热解一步法制备了2Dg-C_3N_4/CuO纳米复合材料。基于二维(2D)g-C_3N_4/CuO纳米复合材料成功制备了多巴胺(DA)电化学传感器。所制得的2D g-C_3N_4/CuO与纯g-C_3N_4相比,具有更高的导电性以及更窄的禁带宽度,这使得它应用于多巴胺电化学传感器中表现出更高的电化学活性。采用计时电流法,在0.1 mol·L~(-1) Tris-HCl缓冲溶液(pH=7.2)中测得该传感器的线性范围为2.00×10~(-9)-7.11×10~-55 mol·L~(-1),检出限为0.1 nmol·L~(-1)。根据密度泛函理论(DFT),本文中传感器超高的灵敏度归因于传感器表面快速的电子传递速率,即传感器中2D g-C_3N_4/CuO极易给出电子,而多巴胺醌又高效接受电子。根据DFT还能得出,多巴胺醌具有最高的正电位且2D g-C_3N_4/CuO和多巴胺醌之间具有最小的电子注入势垒,故该传感器在多种生物小分子(包括葡萄糖、尿酸、抗坏血酸)存在下能够选择性地检测DA。所构建的温和又超灵敏的电化学传感器可应用于实际生物样品中痕量DA的检测。(2)以Cu(Ac)_2·H_2O,C_6H_(12)O_6和三聚氰胺通过水热反应联合热解法成功制备了g-C_3N_4/CuO纳米复合材料。将所制得的g-C_3N_4/CuO纳米复合材料用于电化学检测壬基酚(NP),与裸电极及g-C_3N_4修饰电极相比,g-C_3N_4/CuO/GCE上的NP的电化学响应明显增强,表明所制备的纳米复合材料对于检测NP具有较高的电化学活性。在最佳条件下,采用计时电流法测得传感器的线性范围为0.03μmol·L~(-1)-5.12μmol·L~(-1),检出限为12 nmol·L~(-1),加标回收率为97.1-102.5%,说明g-C_3N_4/CuO/GCE可较好地用于实际分析检测。在多种干扰物存在的条件下,能够选择性地检测壬基酚,具有良好的选择性、稳定性和重现性,表明该传感器在环境监测等领域具有潜在的应用价值。(3)以N,N-二甲基甲酰胺为剥离溶剂,柠檬酸钠为剥离助剂,通过超声剥离石墨烯得到了单层或少数几层的石墨烯纳米片,通过优化超声时间、石墨烯浓度和磷酸缓冲溶液pH,成功构建了高性能的四溴双酚A(TBBPA)电化学传感器。结果表明:剥离后的石墨烯修饰的玻碳电极阻抗更小,具有更快的电子传递速率。采用差分脉冲伏安法(DPV),在0.1 mol·L~-11 PBS(pH=6.5)中,测得TBBPA的线性范围为0.1μmol·L~(-1)-14μmol·L~(-1)和检出限为5×10~(-8) mol·L~(-1),将其应用于实际水样的检测,其加标回收率为98%~101%。该电化学传感器不仅表现出较高的准确性和灵敏度,而且还具有较好的选择性和稳定性。
【图文】：

石墨碳,氮化物,结构单元

材料种类繁多，在科学研究中常涉及的碳纳米材纳米管等。碳的改性及其应用化碳(C3N4)的研究起源于上世纪 20 年代，它是一种eter 和 Hemley 计算得出 C3N4有 5 种结构，其中，4)在常温下稳定性最好。g-C3N4的二维平面层(由德华力叠加在一起[1](如图 1.1)。作为一种低成本以简单、环境友好的方式大规模合成。各种含氮作前体，如三聚氰胺[2]，尿素[3]和氰亚胺[4]。g-C3压法、气相沉积法、热解法和溶剂热法等。2006化领域[5,6]。Wang 等[7]首次将 g-C3N4用于可见光相氮化碳已成为光催化驱动产氢的重要材料。

氮原子,原子,金属掺杂,掺杂改性

常见的 g-C3N4的改性方法有掺杂改性、复合改。明，g-C3N4应用于光催化中存在一些缺陷，比如，率较高，比表面积较小，量子效率较低等。因此，催化等领域的应用。掺杂改性可分为金属掺杂和非无金属的碳材料，将金属掺杂入g-C3N4可提高电子光催化性能的表面缺陷。Wang 等[9]用双氰胺和氯化高温条件下合成 Fe/g-C3N4纳米复合材料。由 XPS Fe-N 键，UV-vis 分析表明 Fe 掺杂之后纳米材料光非金属(主要有ⅤA-ⅦA 族元素如 C、N、O、F、S C3N4的能带间隙降低，，又使其光吸收性能提高，进。Liu 等[10]报道了 S 晶体掺杂 g-C3N4(图 1.2),掺杂Sx(带隙为 2.85 eV)荧光发射光谱峰位置蓝移。
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O657.1;TB383.1

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