石墨烯复合材料用于电化学传感器的研究

发布时间：2018-01-17 20:34

本文关键词：石墨烯复合材料用于电化学传感器的研究　出处：《吉林大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：凭借高灵敏度,易操作,低成本,响应快速等优势,电化学传感器已发展成为应用最为广泛的分析工具。工作电极作为电化学传感器的核心部件,往往决定着传感器的传感性能。因此,开发新型电极修饰材料,提高传感器的灵敏度、重现性和选择性始终是这一领域的研究课题。石墨烯具有大的比表面积、优异的导电性、超高的机械强度以及超好的透光性,这些杰出的性质使其在诸多研究领域中展现出良好的发展趋势。此外,石墨烯是一种非常理想的基体材料,其独具的优异性能为石墨烯基复合材料的研究和开发提供了契机。金属纳米材料结合了金属优异的性质及纳米材料的特点,展现了良好的导电性与电催化性。将金属纳米材料和石墨烯相结合,可以制备出种类多样、结构丰富的复合材料。以此复合材料构建电化学传感器,有望提高传感器的响应信号,从而获得较高的灵敏度。另一方面,金属-有机框架材料(MOFs)具有超大比表面积以及尺寸可控的多孔结构,体现出与分子筛材料相类似的尺寸选择性以及对特定分子的吸附性。利用这个优势,将MOFs和石墨烯进行复合,不仅能够有效改善MOFs的稳定性和导电性,而且可以获得具有较高灵敏度和选择性的电化学传感器。基于以上分析,本文旨在构筑性能优异的电化学传感器,从石墨烯-金属纳米复合材料和石墨烯-MOFs复合材料两方向出发,充分利用各组分的优势,开展了以下研究工作;1.以氧化石墨烯和氯金酸水溶液为原料,硫酸为促进剂,通过水热条件一步合成三维褶皱石墨烯-金纳米粒子复合物(t-GR-Au),用以构建多巴胺的电化学传感器。结果显示,t-GR-Au充分发挥了t-GR的比表面积大和导电性好,以及Au的催化能力强的特点。与传统二维平面结构的GR-Au修饰电极相比,t-GR-Au修饰电极对多巴胺展现了更高的电化学响应。此传感器能够在人体血清及尿样中实现对多巴胺的灵敏检测。2.利用水热合成法以及改性的银镜反应,制备了具有高度暴露的活性边界位点的花瓣型石墨烯-银纳米粒子(p-GR-Ag)复合物,并将其应用于甲硝唑的电化学检测。与传统二维平面结构的GR-Ag相比,p-GR-Ag具有以下优势:首先,p-GR-Ag由基面和含有更多催化活性位点的边界面组成,因而p-GR-Ag具有更高的催化活性。其次,p-GR较大的表面积和更多的缺陷位点为AgNPs提供更多的成核位点,有利于高度结晶AgNPs的形成。最后,p-GR-Ag复合材料具有三维开放的多孔结构,有利于提高电荷传输性能。因此,该传感器展现了较宽的线性范围,较低的检出限,以及良好的选择性,且可以在实际样品中进行检测。3.构建了一种由铜基MOF材料和电化学还原氧化石墨烯组成的复合材料(Cu-TDPAT-n-ERGO),用于过氧化氢电化学检测研究。该传感器结合了Cu-TDPAT的双官能团(开放金属位点和路易斯碱性位点)以及n-ERGO的大表面积及高导电性的特点,有效地提高了传感器的灵敏度和选择性,对过氧化氢的还原反应展现了电流放大作用和电催化作用。此检测方法的线性范围宽,检出限低,重现性、稳定性及抗干扰性能良好,且制备方法简单。4.利用阳离子交换法和电化学还原法,制得了金属纳米粒子包覆于阴离子型MOFs和电化学还原氧化石墨烯组成的复合材料(MNPs@Y-1,4-NDC-MOF/ERGO(M=Ag,Cu)),以此为电极修饰物,用于构筑过氧化氢的无酶型电化学传感器。阳离子交换法制备的MNPs@Y-1,4-NDC-MOF能够有效地克服传统方法的缺点,制得的MNPs粒径小,分散好,尺寸分布均匀。该传感器结合了Y-1,4-NDC-MOF的尺寸选择性,MNPs的催化活性以及ERGO的大表面积和高导电性的特点,对过氧化氢的还原反应展现了优异的电催化性能和选择性。此外,研究发现该三元复合物的电催化活性主要依赖于MNPs独特的电子特性,而不是粒子大小和电活性表面积等几何参数。
[Abstract]:An electrochemical sensor with high specific surface area , excellent conductivity , high mechanical strength and excellent light transmittance has been developed .

【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】：TB33;TP212.2

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