新型石墨烯基、碳管基复合材料的制备及其电化学传感的应用研究

发布时间：2020-08-19 09:19

【摘要】：碳纳米材料因其具有大的比表面积、高的导电性和电子迁移率、以及优异的机械力学性能而受到电化学工作者的广泛关注。同时,碳纳米材料还具有宽的电化学窗口,强的电化学稳定性以及高的电催化活性等电化学特性。所以,以石墨烯为代表的碳纳米材料如:碳纳米管(CNT)、氧化石墨烯(GO)、还原氧化石墨烯(RGO)和氮掺杂石墨烯(NGR)在电化学传感器应用领域中备受关注。而提升碳纳米材料在电化学方面的应用范围主要途径有:一方面,通过原子掺杂可以调控石墨烯的能带结构,如(氮掺杂石墨烯)提高了其电催化性能;另一方面,碳纳米材料也常常通过与其它功能材料复合进一步改善其可分散性和可加工性能来提高其电催化活性和电化学选择性。随着对宏量廉价碳纳米材料的制备方法及功能化的深入研究,碳纳米材料基二元复合材料成为了各个领域工作者的研究热点。本论文主要以碳纳米材料为基底负载CuFeO2、Co3O4、二茂铁衍生物等构建复合材料,旨在改善无机材料的电子转移速率和稳定性,利用其与碳纳米材料的协同作用构建新型电化学传感器,并对多巴胺、尿酸、抗坏血酸和亚硝酸根离子的电催化活性进行了研究。论文综述部分总结了近几年石墨烯的制备方法、功能化手段及其复合材料在不同领域的应用,论文主体部分主要包括以下三个方面:(1)探索以GO及NGR为基底构建CuFeO2@RGO和CuFeO2@NGR复合材料,并构建新型电化学传感器检测亚硝酸根离子。以GO为基底用简单的溶剂热法制备新型复合材料CuFeO2@RGO和CuFeO2@NGR,并尝试对合成方法进一步优化,构建新型电化学传感器检测亚硝酸根离子。结果表明,合成的CuFeO2@NGR新型复合材料相对于单一材料对NO2-具有更强的电催化能力,同时,复合材料对亚硝酸根离子表现出良好的电化学性能:宽的线性范围、低的检测限、高的灵敏度。另一方面,合成的新型复合材料CuFeO2/RGO修饰玻碳电极检测NO2-实验结果表明,该复合材料也比单一材料具有更优异的电催化效果,而且亚硝酸盐浓度与峰电流在0.1μM-100μM之间呈现出良好的线性关系,并具有低的检测限(0.03μM,S/N=3)及良好的选择性、重现性和稳定性。另外,分别将两种修饰电极用于实际样品中生物分子的测量取得了令人满意的结果,两种修饰电极优异的性能主要归因于石墨烯材料和CuFeO2之间的协同作用。(2)基于氧化石墨烯合成Co3O4 NPs/RGO并构建新型电化学传感器检测亚硝酸根离子。用水热法合成新型Co3O4 NPs/RGO纳米复合材料并检测亚硝酸盐。循环伏安实验结果表明Co3O4 NPs/RGO/GCE相对于Co3O4 NPs/GCE对NO2-催化活性提高了近7.6倍。安培电流法实验结果表明,Co3O4 NPs/RGO/GCE对亚硝酸根离子表现出良好的电化学性能:宽的线性范围(0.1μM-67.7μM)、低的检测限(0.03μM,S/N=3)和高的灵敏度(27.4μA·mM-1)。该修饰电极优异的性能主要归因于比表面积大的石墨烯提高了Co3O4 NPs的催化活性及其稳定性,同时,石墨烯和Co3O4之间的协同作用也提高整体催化效果。另外,将该修饰电极用于实际样品中生物分子的测量也取得了令人满意的结果。(3)基于二茂铁功能化的碳纳米复合材料的合成及构建新型电化学传感器应用于检测多巴胺、抗坏血酸和尿酸。分别合成了氨基功能化的碳纳米管(MWNTs)和氧化石墨烯(GO)并通过红外、X-射线粉末衍射、能量色散X射线光谱和X-射线光电子能谱等一系列表征。并通过循环伏安(CV)和示差脉冲的方法(DPV)分析人体中重要的神经传感递质。二茂铁(Fc)具有良好的导电性、电化学稳定性及可逆的氧化还原电对,羧基二茂铁与氨基化的MWNTs及GO通过酰胺键合成的复合材料在同时检测抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)、尿酸(UA)中表现出了良好的电催化性能,与单一材料相比催化效果最佳。通过DPV检测结果表明,AA、DA、UA之间的峰分离度较高,峰电位分别在-170 m V、35 mV、180 mV,避免了峰相互重叠干扰的现象。所以,FcA-MWNTs做为修饰电极可成功地对AA、DA、UA三种分析物进行同时检测,该修饰电极不仅具有良好的的稳定性、重复性、选择性以及快的响应速率,而且成功地应用于人体血清、尿液等实际样品的检测。
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB33;TP212.2
【图文】：

石墨,富勒烯,碳纳米管,碳纳米材料

第一章绪论第一章：绪论碳纳米材料是目前关注度较高的一种新兴材料，以其独特的尺寸结构和优异的分子间相互作用和吸附作用及光、电、热性能，而受到越来越多的青睐，在不同领域中都有着非常大的市场潜力。碳纳米材料有着丰富的结构形态，如图 1所展示的从零维的富勒烯到一维的碳纳米管再到二维的石墨烯（graphene），如图 2 所示这些结构形态之间又有着紧密的联系。

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第一章绪论和 Allen M.J 等人[39]使用水合肼通过直接制备分散体来改进还原步骤。值得注意的是使用水合肼的时候需要非常小心，因为它具有高毒性和潜在的爆炸性。氧化还原制备石墨烯的方法最大的优点是成本较低及可扩展性较大，起始材料是较廉价的石墨，并且该技术可以容易地按比例放大以产生分散在液体中的克数量或更大的“化学衍生的石墨烯”。GO 也是其自身适用于复合材料的有趣材料。

【参考文献】