泡沫镍基底上氢氧化镍的制备、掺杂改性及其葡萄糖传感特性研究

发布时间：2018-02-23 04:03

本文关键词： 葡萄糖传感器泡沫镍氢氧化镍纳米结构掺杂改性　出处：《吉林大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：葡萄糖浓度是许多疾病如糖尿病和内分泌代谢紊乱的关键指标,对葡萄糖浓度进行准确地测定是相关疾病诊断和控制的重要环节。而且,葡萄糖在食品工业、医药制造、环境监测以及生物过程监控中均有着广泛的应用,因此,近年来低成本、高灵敏、响应快速的葡萄糖传感器的研究已成为生物传感领域研究的热点。基于过渡金属Ni的非酶葡萄糖传感器具有原材料成本低廉、制备工艺简单和稳定性良好等优点已经被广泛研究。Ni系材料检测葡萄糖可能的机理是在碱性溶液中生成了Ni(OH)2/Ni OOH,Ni3+氧化了葡萄糖,引起电流的变化,因此,与Ni或Ni O相比,直接使用Ni(OH)2作为敏感材料将有效提高敏感体的利用率,对实现葡萄糖快速检测和提高灵敏度是有利的。三维网状结构泡沫镍具有高的导电性和通透的结构,电解质的扩散电阻较小,并具有快速的充放电反应和较强的质子输运能力,是良好的电极基底材料。因此,本文将泡沫镍作为电极基底,在其上直接生长Ni(OH)2敏感材料并通过掺杂改性改善其对葡萄糖的敏感性能。具体研究内容如下:首先,使用纯氨水作为沉淀剂,在30℃时利用沉淀法在泡沫镍基底上成功地制备了Ni(OH)2纳米片。沉积温度和时间对于Ni(OH)2纳米片的形成有重要的影响,研究发现30℃的温度下生长10小时后可在泡沫镍基底上获得均一的Ni(OH)2纳米片结构,所制备的Ni(OH)2的晶体结构是α相和β相Ni(OH)2的混合体。利用制备的Ni(OH)2纳米片/泡沫镍作为非酶葡萄糖传感器的电极进行了葡萄糖传感测试。在2μM到40μM的葡萄糖浓度范围时灵敏度达到1130μA m M~(-1) cm~(-2),在0.1m M到2.5m M的葡萄糖浓度范围时灵敏度达到1097μA m M~(-1)cm~(-2)。由于纯氨水具有强烈的挥发性和刺激性,增加了材料制备的难度,在后续的实验中改用了水热方法,并利用掺杂的方式提高电极材料对葡萄糖检测的性能。第三章中利用贵金属作为掺杂剂提高电极对葡萄糖的响应。单一Au或者Pd掺杂时,改善电极特性的贵金属含量区间较窄,而当Au、Pd共掺杂时较容易实现电极对葡萄糖的敏感特性的提高。贵金属Au、Pd共掺杂时形成的电极具有多孔球形的形貌,电极材料的结构为Ni(OH)2,由于有利于质量输运的疏松多孔的电极形貌和双金属催化剂的协同效应的共同作用,提高了电极对葡萄糖的检测性能。当Au和Pd的摩尔比为2:3时得到的电极对葡萄糖在较宽的浓度范围内均具有良好的灵敏度,在1μM至2 m M(R2=0.998)的范围内对葡萄糖的灵敏度为15.20 m A m M~(-1) cm~(-2),在3 m M至12 m M(R2=0.963)的范围内对葡萄糖的灵敏度仍然有4.88 m A m M~(-1) cm~(-2)。对葡萄糖检测灵敏度的提高归因为疏松多孔的电极形貌和双金属催化剂的协同效应。第四章中将可变价的Fe替代贵金属作为掺杂剂,利用水热合成法制备了Fe掺杂Ni(OH)2纳米片-球/泡沫镍电极。Fe的掺杂使得产物Ni(OH)2由纳米粒子向纳米片和纳米球混合体转变。Fe的产物是Fe3O4。而且Fe的掺杂减小了氧化还原峰的电位间距,加速了电极对葡萄糖的催化反应。Fe和Ni摩尔比为3:7时获得的电极对葡萄糖的检测下限是1μM。在1μM~50μM浓度时灵敏度为40.65 m A m M~(-1) cm~(-2),在50μM~10 m M浓度时灵敏度为5.26 m A m M~(-1) cm~(-2)。最后,研究了Co掺杂对电极形貌和葡萄糖传感特性的影响。利用水热法在泡沫镍基底上直接生长了Co掺杂的Ni(OH)2。Co的加入有助于Ni(OH)2纳米片的生成。Co的产物为Co O,在碱性溶液中将生成Co(OH)2,Co~(2+)/Co~(3+)氧化还原对提升了Ni2+/Ni3+对葡萄糖的催化反应能力。Co掺杂提升了电极对葡萄糖的检测能力原因是形成了多孔均一的电极表面和Co~(2+)/Co~(3+)对Ni2+/Ni3+催化活性的协同作用。获得的Co O-Ni(OH)2二维纳米片/泡沫镍对葡萄糖的检测下限是5μM,在葡萄糖浓度为14 m M以下时均能较好的响应,线性范围在10μM~4.0m M时灵敏度为85.889 m A m M~(-1) cm~(-2),线性范围在40 m M~4.0 m M时灵敏度为32.41 m A m M~(-1) cm~(-2)
[Abstract]:......
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212

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