多级结构铜钴镍复合电极制备及其应用于高灵敏度葡萄糖传感器的研究

发布时间：2017-11-07 14:01

  本文关键词：多级结构铜钴镍复合电极制备及其应用于高灵敏度葡萄糖传感器的研究

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【摘要】：葡萄糖的快速检测在医疗卫生,食品和生物工业具有重要意义,电化学传感器因其体积小、成本低、检测快,是一种有前景的检测器件。纳米电极材料在应用于葡萄糖检测时,得益于其高的比表面积和丰富的活性缺陷位,展现了灵敏度高、响应快的优点。本论文通过在导电基底上原位生长有序结构的纳米电极材料能够改善被测目标物和电解质的传质过程,有助于提高电极材料的机械强度,而且避免了粘结剂的使用,改善了不同纳米个体之间电子传导的“瓶颈效应”。本论文以三维结构的多孔泡沫镍(Ni_(foam))为基底,分别通过高温氧化法与电化学沉积法原位生长(负载)了Cu或Co的金属单质、氧化物或氢氧化物的纳米多级结构材料后作为催化氧化葡萄糖的工作电极,将灵敏度从文献中数mAΛmM~(-1)·cm~(-2)提高到10～40 mA·mM~(-1)·cm~(-2)。本文首先在CuSO_4-H_2SO_4介质中,通过电沉积法在泡沫镍基底上沉积了铜单质,然后通过空气氛围中的高温氧化热处理,在电极表面原位生长了高密度的氧化铜纳米线(CuONWs),SEM测试结果表明CuONWs的长径比高达600。该电极于1M KOH电解质中在0.5 V(vs.SCE)电位下对葡萄糖的响应灵敏度高达14.87 mA.cm~(-2)·mM~(-1),线性范围为1μM-405 μM,检测限为0.827μM(S/3)。然后,本文以泡沫镍为基底通过电沉积法在CoSO_4-(NH_4)_2SO_4 CoSO_4-(MH_4)_2SO_4中电沉积负载树枝状纳米铜(Cu dendrite)和高密度的氧化钴纳米片(Co(OH)_2Nfs)。电极于0.1 MKOH电解质中在0.5 V(vs.SCE)电位下对10μM葡萄糖的响应灵敏度分别达到22.86和21.08mAΛcm~(-2)ΛmM~(-1)。最后,本文在CuSO_4-CoSO_4-(NH_4)_2SO_4溶液中,通过简单可控的一步电沉积法在泡沫镍基底上原位沉积了氢氧化钻纳米片和纳米铜粒子复合电极材料(Co(OH)_2Nfs/CuNps/Ni_(foam))。对不同沉积时间后的电极材料结合SEM、XPS、EM进行分析表征,表明该一步电沉积法过程的初始阶段发生的是CuNps的电化学还原沉积,然后发生的是析氢诱导的Co(OH)_2的沉积反应,同时伴随CuNps的电化学还原沉积过程。初期沉积的CuNps不仅有利于提高泡沫镍基底的粗糙度,提高了后期负载Co(OH)_2纳米片的接触面积和牢固性,也有利改善电子传导。同时,后期共沉积的Cu则进一步改善了导电性差的Co(OH)_2纳米片个体间的电子传导能力。而厚度约为5 nm,二维尺度达到600～700 nm的Co(OH)_2纳米片相互交错,构建的纳米孔有利于葡萄糖、电解质分子的传质,也是后期负载的CuNps优良载体,而两种纳米结构的相互渗透提高了纳米结构的稳定性。得益于金属与氢氧化物之间以及所构筑的微纳多级结构之间的协同效应,Co(OH)_2 Nfs/CuNps/Ni_(foam)在葡萄糖测试中,展现了极高的灵敏度,对10μM葡萄糖的响应灵敏度高达42.49mA·cm~(-2)·mM~(-1)。线性范围和检测限分别为1μM-550μM0.273μM。此外,不同批次的Co(OH)_2Nfs/CuNps/Nifram电极对葡萄糖测试时具备良好的平行性,对血液、腹膜透析液中的常见干扰物展现了良好的抗干扰性(干扰性5%),表明本文所构筑的Co(OH)_2Nfs/CuNps/Ni_(foam)是一种优良的无酶葡萄糖传感器工作电极。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O657.1
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本文编号：1152694