有序介孔钴基金属氧化物材料的设计、合成及其电化学应用

发布时间：2020-11-04 19:17

　　 电化学传感器以其操作简单、灵敏度高、成本低廉及易于小型化,广泛应用于环境监控、医疗诊断、公共安全等众多领域,而开发高灵敏度、高选择性、低检测限、高稳定性的先进电化学传感器的关键在于电极材料的设计与合成。电极材料的传感性能与其表面活性位点数量、本征催化活性及导电性能密切相关。本文设计合成了一系列具有高比表面积、可调骨架尺寸与骨架化学组成的有序大介孔钴基尖晶石金属氧化物,显著改善了电极材料物质的传输能力、催化活性及导电性能,并研究了介观结构参数(比表面积、孔径分布、孔壁厚度以及孔容)和骨架化学组成对电化学传感性能的影响。1、采用有序介孔氧化硅KIT-6为模板、硝酸钴和硝酸镍为混合前驱体,通过改良的硬模板法合成了一系列有序介孔NiCo204尖晶石金属氧化物。通过改变KIT-6模板的孔道尺寸与联通性、前驱体组成与浸渍方式、锻烧温度等实验参数,实现了材料的比表面积(92～181 m2·g-1)、孔径(4.2～11nm)、骨架尺寸(4.6～8.7nm)以及骨架结构组成成分的调控。电化学性能测试发现介孔孔径的增加有利于葡萄糖及相关反应物的扩散传输、骨架尺寸的减小能增加比表面积,利于电解液中离子和分子的吸附和扩散且为催化提供更多的活性位点,从而促进电催化氧化葡萄糖活性的提高与传感性能的增强;尤其是所合成的一种同时具有大介孔(11 nm)、超细骨架(4.6nm)、高比表面积(181m2.g-1)的有序介孔NiCo2O4展示了对葡萄糖的快速响应(小于2 s)和最高的灵敏度 4368.8μA·mM-1·cm-2(线性范围:0.01～0.683 mM)。2、采用与上面类似的合成策略,通过改变前驱体的种类,也实现了其他有序介孔钴基尖晶石金属氧化物MCo2O4(M=Cu、Zn、Mn、Fe)的可控合成以及基于介观结构参数和骨架组成调控的传感性能增强:(1)成功合成了同时具有10～13 nm的大介孔、135 m2·g-1～185 m2·g-1的高比表面积、4.8～5 nm超细骨架的有序介孔钴基金属氧化物;(2)研究了有序介孔钴基尖晶石金属氧化物骨架中异质金属离子种类对其催化活性、导电性与葡萄糖非酶传感器传感性能的影响,发现同时具有大介孔(12 nm)、超细骨架(5 nm)、高比表面积(135 m2·g-1)、本征催化活性高和导电性优异的CuCo204展示了对葡萄糖最优的催化活性和最高的灵敏度5871.4μA·mM-1·cm-2(0.01-0.977 mM)以及良好的稳定性、抗干扰能力。相关研究结果对于其它先进电极材料的设计与开发具有重要的借鉴意义。
【学位单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34;TP212.2
【部分图文】：

??目前国际上较为认可的合成机理有两种，液晶相模板机理［２，１＜）］和协同作用机理［３’１１］，具体??合成路线如图１－２所示。（１）液晶相模板机理［１（１］：表面活性剂通过自组装力在溶液中形成有序??排列的超分子液晶相，无机硅源通过静电作用或氢键作用与表面活性剂离子结合，桂源在有机－??－２－??

本论文所用的扫描电子显微镜型号为日本ＪＥＯＬ的ＪＳＭ－７５００Ｆ，加速电压为０．１?ＫＶ－３０?ＫＶ，??可以放大２５－１００万倍。扫描电子显微镜（ＳＥＭ）用于样品表面形貌和结构的观察，其应用广泛，??制样简单，分析直观快速。原理如图２－１所示，扫描电子显微镜是利用细聚焦电子束在样品表??面扫描时发出的各种信号来调制成像的。由于扫描电子显微镜的景深远比光学显微镜大的多在??扫描电子显微镜中，用来成像的信号主要是二次电子，其次是背散射电子和吸收电子。观察样品??形貌时，检测器收集主要电子，样品形貌不同导致信号差别，产生信号衬度，经过放大和亮度??调节后获得样品的放大像。??特征Ｘ．Ｒ＾．?胃电子束??＇?＼ｆ??背戠Ｍ电子电子｜?二次电子?，??＼?＼?声二次电??雛就????ｐ—ＩＩ?＊??ｆｉｌ?Ｘ?ｉ＾电子束ｓ生电流??样品电流?０?：?／???丄／??透射电字??（散射?＞?透射电子??图２＿１扫描电镜成像原理图??Ｆｉｇ．２－１?Ｓｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｃａｎｎｉｎｇ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ??－１１－??

８°／ｍｉｎ，扫描范围从３度到８５度，小角Ｘ射线衍射仪由布鲁克ＡＸＳＤ８提供，工作电压４０?ｋＶ，??电流４０?ｍＡ，扫描速度为０．１°／ｍｉｎ，扫描范围从０．３度到１０度。每一种结晶物质，都有其特定??的晶体结构。如图２－２为Ｘ射线衍射示意图，其工作原理实质上是原子散射波彼此干涉，内部??原子分布图通过晶体产生的衍射图来反映。衍射图案的特征由空间衍射线的分布规律和衍射线??束的强度构成。Ｘ射线衍射满足布拉格（Ｂｒａｇｇ）公式：??２?ｄ（ｈｋｉ）?ｓｉｎ０?＝ｎ?Ｘ??式中为晶面间距，０为布拉格角（最大晶面衍射角），ｎ为衍射级数（ｎ＝ｌ，２，?．．．），人??为入射Ｘ射线波长，（ｈｋｌ）为晶面符号，ｈ、ｋ、１必须互质。??晶面法线?＼?ｒ?２－??，／?．Ｖｉａ－??／??＿—Ｔ??５?Ｚ?ｉｄ??°?一．￣￣－一?ｔ??图２－２?Ｘ射线衍射示意图??Ｆｉｇ．２－２?Ｘ－Ｒａｙ?ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ?ｄｉａｇｒａｍ??２．２．４透射电子显微镜（ＴＥＭ）??本论文中所用的透射电子显微镜为日本日立公司的ＨＴ－７７００，加速电压为１００?ＫＶ，电流为??１０?Ａ。透射电镜（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）是一种具有高分辨率，高放大倍数的电子??光学仪器，被广泛应用于材料科学等研宄领域。透射电子显微镜的主要特点是可以进行组织形??貌与晶体结构同位分析、晶体缺陷分析和晶体结构测定，主要用于超微结构（
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 安康;;有序介孔碳吸附剂的研究进展[J];企业技术开发;2016年20期

2 刘云朋;周洁;李中坚;雷乐成;;氮掺杂有序介孔碳的研究进展[J];现代化工;2014年06期

3 闻振涛;万颖;;有序介孔碳吸附剂的研究进展[J];化学世界;2011年07期

4 杨晓越;孙安霞;姜浩锡;张敏华;;用软模板法制备有序介孔炭材料过程的研究[J];化工新型材料;2017年09期

5 周卫;付宏刚;潘凯;;有序介孔TiO_2及其复合体的合成与特性[J];黑龙江大学工程学报;2011年03期

6 杨晓洁;刘迎新;;N掺杂有序介孔碳材料的研究进展[J];浙江化工;2017年01期

7 杨丽;王佳君;王霞;郑华艳;李忠;;有序介孔炭的制备、改性及其应用研究进展[J];现代化工;2015年11期

8 祝建中;杨嘉;;有序介孔炭合成、改性及其对汞离子的吸附性能[J];新型炭材料;2008年03期

9 刘俊义;刘岩;;有序介孔碳材料的研究进展及其在费托反应中的应用[J];山西化工;2016年02期

10 刘攀博;焦剑;黄英;;有序介孔炭的研究进展[J];炭素技术;2012年02期

相关博士学位论文 前10条

1 许振民;金属嵌入式修饰有序介孔TiO_2材料的制备及性能研究[D];上海师范大学;2019年

2 赵春霞;有序介孔氧化硅的改性及复合介孔材料的合成、结构与性能研究[D];武汉理工大学;2006年

3 闫欣;有序介孔氧化硅、硅铝酸盐、硅钛酸盐材料的合成与表征[D];山东大学;2007年

4 李丽霞;有序介孔炭及其复合材料的合成和应用研究[D];北京化工大学;2007年

5 王克亮;有序介孔碳制备及萘吸附性能的实验和分子模拟研究[D];华南理工大学;2012年

6 刘娜;有序介孔炭的形态控制及其电化学性能研究[D];北京化工大学;2011年

7 孙志鹏;直接醇类燃料电池用有序介孔碳基复合材料的制备、表征及电催化性能研究[D];南京航空航天大学;2009年

8 项东;铁基合金与氧化物纳米粒子修饰有序介孔碳电化学性能研究[D];山东大学;2013年

9 王涛;不锈钢表面有序介孔碳基薄膜的制备及其性能[D];南京航空航天大学;2012年

10 曹飞飞;有序性结构对碳材料NO_x吸附及还原作用的机理研究[D];浙江大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 徐菘;基于有序介孔碳制备新型固相微萃取纤维及其性能的研究[D];上海交通大学;2018年

2 刘曼;改性有序介孔碳活化过硫酸盐降解双酚A研究[D];河北工业大学;2017年

3 田茂银;有序介孔钴基金属氧化物材料的设计、合成及其电化学应用[D];宁夏大学;2019年

4 吕晓芸;有序介孔碳复合电极材料的制备与电容脱盐性能研究[D];武汉理工大学;2017年

5 叶建岐;异质元素修饰有序介孔碳储钠性能的研究[D];太原理工大学;2019年

6 胡巧丽;负载铜有序介孔碳材料的制备及其电催化合成苄基甲基碳酸酯的研究[D];华东师范大学;2019年

7 梅宇;功能化有序介孔酚醛树脂聚合物的制备及其在二氧化碳化学中的应用[D];华东师范大学;2019年

8 王静;纳米有序介孔Si/C锂离子电池负极材料制备与电化学性能研究[D];昆明理工大学;2018年

9 高艳梅;木质素制有序介孔碳及其应用探索[D];北京化工大学;2018年

10 曾超;氮掺杂有序介孔碳材料的软模板合成及其电化学性能研究[D];武汉理工大学;2017年

本文编号：2870494