几种掺杂型碳材料的制备及电化学性质和生物传感应用研究

发布时间：2020-11-19 04:02

　　 碳材料具有发达的孔隙结构、极大的比表面积和良好的导电性,可应用于能源、催化和传感等不同领域。在碳材料中掺杂杂原子不仅可以改善碳材料的表面润湿性,还能引入赝电容,从而提高碳材料的电容性能。此外,在碳材料中掺杂杂原子还能引入新的活性位点,因而,掺杂型碳材料在催化和传感等领域具有良好的应用前景。制备新型的掺杂型碳材料并开展其应用研究具有重要的意义。本论文通过在碳材料中引入氮、硫、金属等杂原子,制备了几种新型的掺杂型碳材料,并研究了其在超级电容器、电化学析氢和生物传感应用中的性能。主要内容如下:(1)将吸附钴离子的磺酸离子交换树脂碳化并同时化学活化制得了硫掺杂多孔碳纳米片(S-PCNS)。所制备的S-PCNS具有三维网状结构,石墨化程度高,C/O原子比高达22.9:1,硫含量高达9.6 wt%,比表面积高达2005 m~2 g~(-1)。以S-PCNS为电极材料的超级电容器在6.0 M KOH水溶液电解质中具有极高的比电容(0.5 A g~(-1)下的比电容为312 F g~(-1))、优异的倍率性能(50 A g~(-1)仍能保持78%的电容)、极高能量密度(0.5 A g~(-1)下能量密度为11.0 Wh kg~(-1))和良好的循环稳定性(2 A g~(-1)下循环1万次仍保持其初始电容的97%)。(2)以聚邻苯二胺为碳源,硝酸镍为石墨化催化剂前驱体,制备了氮掺杂的三维石墨烯材料(3DNGN)。3DNGN具有相互贯通的多孔结构和极高的含氮量,有利于离子的快速传输和电子的快速转移,能确保3DNGN具有良好的电容性质。在KOH水溶液中,3DNGN在1 Ag~(-1)下的比电容高达312 Fg~(-1)的,并具有良好倍率性能和循环稳定性。以3DNGN为电极材料的超级电容器的平均能量密度高达10.8 Wh kg~(-1),最大功率密度为595 kW kg~(-1)。此外,由于3DNGN在H_2SO_4溶液中具有很大的赝电容,使得3DNGN在1 Ag~(-1)下的比电容高达345 Fg~(-1)。(3)通过热处理富含氮和硫的聚间氨基苯磺酸和硝酸钴,再进行酸刻,制得了Co、N和S共掺杂的碳(CoNS-C)。在0.5 M H_2SO_4水溶液中,以CoNS-C为析氢反应(HER)催化剂,10 mA cm~(-2)的电流密度下的过电位仅为180 mV。除了极高的电催化活性外,CoNS-C还显示出良好的持久性。我们也证实了Co-N_x和Co-S_x配合物是HER的催化活性中心。该工作为设计高性能HER催化剂提供了新的思路。(4)通过热解聚苯胺和硝酸镍粉末,再进行酸刻,制备了三维类石墨烯碳框架材料(3DGLCFs)。所制备的3DGLCFs具有类石墨烯网状结构,高比表面积和高氮掺杂量,这些特征使得3DGLCFs具有电化学活性表面积大、电子转移快等优点,且分析物能快速传输到电极表面。抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)和尿酸(UA)在3DGLCFs修饰GCE上的氧化电流远高于商业石墨烯修饰的GCE。AA和DA的氧化峰电位差为0.23 V,DA和UA的氧化峰电位差为0.13 V,AA和UA的氧化峰电位差为0.36 V。利用差分脉冲伏安法同时检测了AA,DA和UA,AA的线性范围为12.5-400μM,DA的线性范围为0.05-10μM,UA的线性范围为0.05-15μM。AA、DA和UA的检出限(S/N=3)分别为2、0.01和0.01μM。3DGLCFs/GCE也被成功用于检测人血清中的AA,DA和UA。(5)合成了钌离子络合的氮化碳(Ru-C_3N_4)并发现其具有类过氧化物酶活性。Ru-C_3N_4能在H_2O_2存在下催化邻苯二胺转化为具有荧光性质的2,3-二氨基吩嗪。由于荧光内滤效应,所产生的2,3-二氨基吩嗪能使Ru-C_3N_4荧光猝灭。这些独特的特性可用于构建有效的比率荧光平台用于检测H_2O_2和葡萄糖,检出限分别为50 nM和0.1mM。该方法可成功用于检测人血清中的葡萄糖。该工作为在没有辣根过氧化物酶(HRP)存在下检测H_2O_2及能反应生成H_2O_2的代谢物提供了一种新的比率荧光平台。
【学位单位】：湖南师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ127.11;TP212.3
【部分图文】：

Fig.2-1. SEM (a, b) and TEM (c, d) images of S-PCNS. 2-1a-b 为 S-PCNS 的 SEM 图，其清晰地表明 S-PCNS 由微米级的纳米片组成，且纳米片组装成三维网状结构。S-PCNS 的这种多

图.川ine即ergyleVBirMi朋energy/eV

he effects of Ru-C3N4concentration (a), OPD concentration (b), soe (d) on the ratiometric fluorescence response for the detection of 1 mc 为以优化的实验条件下，在 370 nm 激发波长下，记录了为比率荧光探针检测不同浓度 H2O2下的比率传感系统的荧，随着 H2O2浓度的增加， Ru-C3N4在 455 nm 处的荧光峰AP 在 565 nm 处的荧光峰值逐渐增加增强。图 6-8d 显示了
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 牟世辉;魏海石;;掺杂型聚苯胺导电涂料的研究[J];电镀与精饰;2010年03期

2 余凤斌;陈莹;;掺杂型导电涂料研究进展及其发展趋势[J];上海涂料;2013年02期

3 周双喜;黄水梅;邓文武;徐青;汪卫东;;掺杂型电磁屏蔽导电涂料研究进展[J];硅酸盐通报;2012年03期

4 丁桂英;姜文龙;汪津;常喜;王静;王立忠;王广德;;高效率非掺杂型白色有机电致发光器件[J];光电子.激光;2008年08期

5 聂海,张波,唐先忠,李元勋;掺杂型异质结有机电致发光二极管及其稳定性[J];光电子·激光;2005年09期

6 李险峰;刁贵强;杨晴;;水热合成铈掺杂型锰氧化物的结构及其影响因素分析[J];武汉科技大学学报;2016年04期

7 周建武;;双金属掺杂型二氧化钛催化降解甲基橙水溶液动力学研究[J];浙江化工;2007年11期

8 周建武;;双金属掺杂型二氧化钛催化降解甲基橙水溶液动力学研究[J];精细石油化工进展;2007年09期

9 李国防;凌翠霞;丁秀云;;阴离子掺杂型Ag/TiO_2的制备及其光催化性能研究[J];商丘师范学院学报;2013年03期

10 徐志凌,刘丽英,刘秀,侯占佳,徐雷,王文澄,叶明新;掺杂型极化聚合物薄膜电光特性及弛豫过程研究[J];中国激光;2000年08期

相关博士学位论文 前3条

1 邓文芳;几种掺杂型碳材料的制备及电化学性质和生物传感应用研究[D];湖南师范大学;2019年

2 曲丹;掺杂型石墨烯量子点的制备及其应用研究[D];中国科学院长春光学精密机械与物理研究所;2017年

3 韩莉坤;新型有机二阶非线性光学材料的设计制备与性能研究[D];电子科技大学;2008年

相关硕士学位论文 前10条

1 马林楠;基于近红外发光铱配合物的掺杂型与键合型聚合物发光二极管器件的应用[D];西北大学;2019年

2 武彤;基于超分子前驱体设计的掺杂型碳材料制备及其电化学性能研究[D];厦门大学;2018年

3 高蕊;掺杂型钨酸铋的制备表征及降解染料废水研究[D];西安工业大学;2018年

4 刘贵仙;掺杂型石墨相氮化碳材料的制备及其光催化性能的研究[D];南京航空航天大学;2018年

5 吴一遥;掺杂型SnO_2忆阻器的制备与研究[D];华中科技大学;2017年

6 朱继承;掺杂型微结构光扩散膜的研究[D];苏州大学;2017年

7 石艳伟;非掺杂型白色有机电致发光器件的研究[D];吉林大学;2007年

8 张萍;N掺杂型TiC_x形核剂的研制及其对铝合金相关性能的影响[D];山东大学;2014年

9 李世平;掺杂型氧化锌薄膜的制备、表征及其性能研究[D];暨南大学;2006年

10 孟玉林;一维掺杂型碳纳米材料的设计制备及其储钠性能研究[D];南京师范大学;2017年

本文编号：2889665