冠醚功能化氧化石墨烯的制备及其钾离子电化学传感应用

发布时间：2020-06-07 23:07

【摘要】：钾离子是人体细胞内液的主要阳离子,在人体的新陈代谢中发挥着极其重要的作用,尤其是在血压调节、神经肌肉的应激性维护等方面。人体中钾离子浓度的异常会导致许多疾病。因此,对钾离子的检测具有相当重要的意义。目前,基于电化学传感法检测钾离子所用的电极修饰材料在对钾离子的结合强度和选择性上有很大限制,导致相对较高的检测限和较窄的检测范围。石墨烯,一种由碳原子紧密堆积形成的二维材料,有着卓越的电学、力学、光学及导热性能,为此受到了科学家的广泛关注和高度重视。但是由于片层间存在较强的范德华力,石墨烯极易发生团聚,从而使其应用受到了限制。采用一些功能材料对石墨烯进行修饰可以得到功能化的石墨烯复合材料。将石墨烯材料功能化不仅能够避免石墨烯片层之间发生团聚和重叠,还可以有效的改善石墨烯的电子结构和化学性质,使其显示出新的性能。氧化石墨烯是石墨烯的衍生物,具有与石墨烯类似的二维结构,只不过氧化石墨烯结构中含有大量的含氧官能团,使其便于进行功能化改性。冠醚作为一种主体分子,由于金属离子直径和配体内腔直径之间的大小关系,对碱金属和碱土金属离子具有很高结合选择性。基于此,本论文通过冠醚对氧化石墨烯进行功能化改性,赋予氧化石墨烯新的性能,并将其应用在钾离子的电化学传感检测方面。本论文首先以石墨为原材料,利用改进的Hummers法制备出氧化石墨,再采用超声剥离法将其剥离成氧化石墨烯。采用SEM、TEM、AFM、FT-IR、XPS和XRD等测试手段对样品的成分、结构和表面官能团等情况进行了表征。结果表明,石墨被高度氧化生成了氧化石墨,氧化石墨经超声剥离生成氧化石墨烯,而且氧化石墨烯片层上含有-OH、-COOH和C-O-C等官能团,由于大量含氧官能团的插入,石墨层间距变大。然后以制备好的氧化石墨烯为前驱体,通过亲核加成反应制备出了冠醚功能化氧化石墨烯复合材料。采用FT-IR,XPS和Raman等方法对冠醚功能化氧化石墨烯的形貌、组成、结构和表面官能团进行分析表征,结果表明,氧化石墨烯被1-aza-18-crown-6成功地功能化。最后将制备的冠醚功能化氧化石墨烯复合材料滴定在玻碳电极上,通过电化学阻抗法来检测钾离子。电化学测试结果表明,冠醚功能化氧化石墨烯修饰电极对钾离子响应的线性范围是10~(-7)-10~(-13) M,标准曲线方程是Y=143.928X+2633.857,相关系数为R~2=0.983,其检测下限为10~(-15) M,远低于采用其他方法及电极修饰材料测试得到的检测下限。本论文通过冠醚对氧化石墨烯进行功能化改性,实现了对钾离子的超高灵敏度检测。通过选择合适的冠醚,该方法可用于合成其他冠醚功能化的氧化石墨烯复合材料,用来检测其他金属离子。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;O657.1

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