石墨烯传感器及其在重金属检测中的应用

发布时间：2017-03-21 08:05

  本文关键词：石墨烯传感器及其在重金属检测中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近几十年来伴随着中国经济的迅速发展和工业化进程的深入，重金属及其化合物已经成为危害最大的水体污染物之一。重金属污染物由于其毒性强、易富集，已经对人类的健康构成严重的威胁。因此开发一种能够简便、快捷、精确的重金属检测方法成为一种必需。本文以电化学差分脉冲阳极溶出伏安检测技术为手段结合石墨烯和丝网印刷电极，研制出价格低廉、性能好、一次性可抛弃的新型重金属传感器，丰富了便携式重金属分析系统的应用，为其在工业和日常生活中的应用奠定了良好的研究基础。 （1）石墨烯具有卓越的电化学性质，比表面积大、电子传递速率高和优异的电催化特性。特别是在石墨烯的制备过程中会残留一些官能团，如羟基和羧基，正是石墨烯表面具有的缺陷和功能化基团产生的大量的活性中心，这大大增强了石墨烯表面对重金属离子的吸附作用。聚苯乙烯磺酸钠（Poly(sodium-p-styrenesulfonate), PSS）是一种典型的阳离子交换聚合物,其所具有大量磺酸基的疏松结构有利于与阳离子的交换，可以大大提高Cd2+和Pb2+溶出信号的灵敏度，另外，石墨烯（Graphene, GR）可以均一稳定分散在PSS溶液中。论文第二章制备了GR/PSS纳米复合物修饰同时利用同位镀铋膜法制备的GR/PSS/Bi/SPE。实验利用差分脉冲阳极溶出伏安法对GR/PSS/Bi/SPE的检测条件和性能进行了优化，Cd2+和Pb2+的线性范围0.5-120μg L1。浓度与溶出峰面积呈现良好的线性关系并得到Cd2+和Pb2+标准曲线和检测限。对于Cd2+，线性范围为0.5-120μg L1，标准曲线为y=0.012x-0.03982，检出限为0.042μg L1（S/N=3）；对于Pb2+，标准曲线方程为y=0.00702x-0.02311，检出限为0.089μg L1（S/N=3）。这种新型的重金属传感器成功地应用于实际检测湖水和自来水中Cd2+和Pb2+。 （2）氮掺杂石墨烯(Nitrogen doped Graphene, NGR)具有优异的电化学性质，N原子掺杂在石墨烯的二维平面骨架中，导致石墨烯的碳六元环有缺陷而扭曲，出现大量褶皱，，有助于电子在电极表面的传递。同时在热还原制备氮掺杂的过程中在石墨掺杂其中的氮原子与残留的含氧官能会产生大量的活性位点可以提高对重金属的吸附也直接参与催化反应。论文第三章制备了NGR纳米复合物同时利用同位镀铋膜法制备的NGR/Bi/SPE。实验利用差分脉冲阳极溶出伏安法对NGR/Bi/SPE的检测条件和性能进行了优化，Cd2+和Pb2+的线性范围0.5-100μgL1。浓度与溶出峰面积呈现良好的线性关系并得到Cd2+和Pb2+标准曲线和检测限。对于Cd2+，线性范围为0.5-100μg L1，标准曲线为y=0.01189x-0.02982，检出限为0.21μg L1（S/N=3）；对于Pb2+，标准曲线方程为y=0.006802x-0.02328，检出限为0.16μg L1（S/N=3）。
【关键词】：重金属 石墨烯 氮掺杂石墨烯 丝网印刷电极 差分脉冲阳极溶出伏安法
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP212.2;TQ127.11
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-29
• 1.1 重金属污染现状及危害13-14
• 1.2 检测重金属的仪器及方法14-18
• 1.2.1 紫外-见分光光度法14-15
• 1.2.2 原子吸收光谱法15
• 1.2.3 原子发射光谱法15-16
• 1.2.4 质谱分析法16
• 1.2.5 中子活化分析16
• 1.2.6 化学发光分析16-17
• 1.2.7 生物传感器分析法17
• 1.2.8 电化学分析法17-18
• 1.3 石墨烯材料的制备、性质和应用18-25
• 1.3.1 石墨烯（Graphene，GR）简介18-19
• 1.3.2 石墨烯的结构19
• 1.3.3 石墨烯的性质19-20
• 1.3.4 石墨烯的表征20
• 1.3.5 石墨烯的制备20-21
• 1.3.6 石墨烯的功能化修饰21-23
• 1.3.6.1 石墨烯的共价键功能化22
• 1.3.6.2 石墨烯的非共价键功能化22-23
• 1.3.7 石墨烯的应用23-25
• 1.3.7.1 石墨烯在电化学分析中的应用23-24
• 1.3.7.2 石墨烯在电化学分析测定重金属中的应用24-25
• 1.4 丝网印刷电极（screen printed electrode,SPE)简介25-26
• 1.4.1 丝网印刷电极的应用26
• 1.5 便携式重金属分析系统简介26-28
• 1.6 本文的立意及主要内容28-29
• 第二章 基于石墨烯复合物修饰丝网印刷电极差分阳极溶出伏安法测定 Cd~(~(2+))和 Pb~(~(2+))29-46
• 2.1 前言29-30
• 2.2 实验部分30-35
• 2.2.1 实验仪器30-31
• 2.2.2 主要实验试剂与实验材料31-32
• 2.2.3 主要实验溶液的配制32
• 2.2.4 合成石墨烯(Graphene)32-34
• 2.2.4.1 氧化石墨（GO）的制备33
• 2.2.4.2 石墨烯（Graphene, GR）的制备33-34
• 2.2.5 丝网印刷电极（SPE）的预处理和 GR/PSS 复合物的修饰34
• 2.2.5.1 丝网印刷电极（SPE）的预处理34
• 2.2.5.2 GR/PSS 复合物修饰丝网印刷电极34
• 2.2.6 实验原理与方法34-35
• 2.3 实验结果与讨论35-45
• 2.3.1 Cd~(2+)、Pb~(2+)在 Bi/SPE、GR/PSS/SPE、PSS/Bi/SPE 和 GR/PSS/Bi/SPE的溶出伏安曲线35-36
• 2.3.3 实验条件的优化36-42
• 2.3.3.1 GR/PSS 修饰量的影响37-38
• 2.3.3.2 pH 值对 GR/PSS/Bi/SPE 检测 Cd~(2+)和 Pb~(2+)的影响38-39
• 2.3.3.3 沉积电位和沉积时间对 GR/PSS/Bi/SPE 检测 Cd~(2+)和 Pb~(2+)的影响39-41
• 2.3.3.4 Bi~(3+)浓度的影响41-42
• 2.3.3.5 干扰离子的影响42
• 2.3.4 重现性实验42-43
• 2.3.5 GR/PSS/Bi/SPE 的标准曲线和检出限43-44
• 2.3.6 GR/PSS/Bi/SPE 在检测实际水样品中的应用44-45
• 2.4 本章小结45-46
• 第三章 基于氮掺杂石墨烯修饰丝网印刷电极差分脉冲伏安法检测 Cd~(2+)和 Pb~(2+)46-60
• 3.1 引言46
• 3.2 实验部分46-49
• 3.2.1 实验仪器46
• 3.2.2 主要实验试剂与实验材料46-47
• 3.2.3 主要实验溶液的配制47-48
• 3.2.4 水热法制备氮掺杂石墨烯(Nitrogen-doped Graphene, NGR)48
• 3.2.4.1 氧化石墨烯（GO）的制备48
• 3.2.4.2 氮掺杂石墨烯（NGR）的制备48
• 3.2.5 丝网印刷电极（SPE）的预处理和 NGR 复合物的修饰48-49
• 3.2.5.1 丝网印刷电极（SPE）的预处理48
• 3.2.5.2 NGR 修饰丝网印刷电极48-49
• 3.2.6 实验原理与方法49
• 3.3 实验结果与讨论49-58
• 3.3.1 氮掺杂石墨烯(NGR)的 SEM 表征49-50
• 3.3.2 铅、镉在 Bi/SPE、NGR/SPE、NGR/Bi/SPE 的溶出伏安曲线50-51
• 3.3.3 实验条件的优化51-56
• 3.3.3.1 NGR 修饰量的影响51-52
• 3.3.3.2 pH 值对 NGR/Bi/SPE 检测 Cd~(2+)和 Pb~(2+)的影响52-53
• 3.3.3.3 沉积电位和沉积时间对 NGR/Bi/SPE 检测 Cd~(2+)和 Pb~(2+)的影响53-55
• 3.3.3.4 Bi~(3+)浓度的影响55-56
• 3.3.4 干扰离子的影响56
• 3.3.5 重现性实验56-57
• 3.3.6 NGR/Bi/SPE 的标准曲线和检出限57
• 3.3.7 NGR/Bi/SPE 在检测实际水样品中的应用57-58
• 3.4 本章小结58-60
• 结论60-62
• 参考文献62-74
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果74-75
• 致谢75-76
• 附件76

【参考文献】

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