纳米材料电化学传感器制备及其在肼检测中的应用研究

发布时间：2017-12-29 00:13

  本文关键词：纳米材料电化学传感器制备及其在肼检测中的应用研究　出处：《太原理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：肼是一种无色发烟、具有腐蚀性和强还原性的无色油状液体,被广泛应用于工业、农业及航天领域。同时,肼也是一种对人类有毒有害的物质,与其接触可能会损害肾脏和中枢神经系统等。因此,对肼进行准确快速检测是非常具有现实意义的。在众多肼检测方法中,电化学检测方法由于其灵敏度高、响应速度快、使用简单等特点而受到越来越多的关注和研究。为了不断提高肼电化学检测方法的检测性能,纳米材料开始被应用于肼电化学传感器的制备中。但是,目前基于纳米材料制造的肼电化学传感器仍然存在灵敏度相对较低、催化电位过高及整体性能不理想等问题。因此,研究不同纳米材料对肼的电催化特性,通过形貌控制、敏感材料修饰量优化,以及贵金属纳米材料掺杂等手段来提高传感器性能显得尤为重要。本文以氧化锌(Zn O)纳米材料、碳包覆铜/氧化亚铜(Cu/Cu_2O@carbon)新型复合纳米材料和金修饰的石墨烯-碳纳米管(Au/rGO-CNTs)复合材料为研究对象,分别研究了它们对肼的电催化特性。首先探究了Zn O纳米材料的电沉积机理,实现了ZnO纳米材料的电沉积可控制备并确定了ZnO形貌对肼检测的影响;又研究了Cu/Cu_2O@carbon复合纳米材料的批量合成和Cu/Cu_2O@carbon修饰量对肼电催化性能的影响;最后合成了贵金属修饰的石墨烯-碳纳米管复合材料,并在此基础上组装了Au修饰的宏观石墨烯和石墨烯-碳纳米管纤维,实现了对肼的高灵敏度电化学检测。论文的主要结论如下:(1)通过研究电化学沉积过程中各条件(添加剂、电压、Zn2+浓度、温度和种子层)对ZnO形貌的影响,达到了对ZnO纳米材料进行可控制备的目的;利用电沉积的方法制备了三种具有不同比表面积的zno纳米棒结构。实验表明:制备的zno纳米结构对肼都具有较强的电催化效果,尤其是制备的多层分支结构(zno-3),因其具有最大的比表面积而展现出了最好的检测性能,其在0.8-101μm线性检测区间内的灵敏度可以达到5.35μa·μm-1·cm-2,检测极限为0.08μm,同时表现出不错的长期稳定性和重复性。(2)采用在惰性气体环境下煅烧的方法,成功制备了cu/cu2o@carbon新型复合纳米材料。研究表明,直径为60-100nm的cu/cu2o纳米颗粒被一层碳所包裹,在酸碱(ph=4.0-9.0)溶液中表现出了优异的稳定性;同时该材料在制备过程中保留了植物纤维的原有含氧官能团,使其可以均匀地分散到极性溶剂和非极性溶剂中。通过电催化实验发现,合成的cu/cu2o@carbon复合纳米材料对肼具有一定的催化特性,且修饰量将直接影响其对肼的检测性能,在现有实验条件下得到的最佳修饰量为510μg/cm2。基于最佳修饰量制备的传感器线性范围达到0.25-800μm,检测极限低至0.022μm。(3)利用石墨烯和碳纳米管高比表面积、高导电性及优异化学稳定性等特点,将两种碳材料均匀混合(rgo-cnts)并测试了其对肼的电催化特性。实验结果表明rgo-cnts可以在一定程度上对肼进行电催化,且当cnts与rgo的质量比为2:1时具有最好的催化效果。为了更进一步提高rgo-cnts对肼的电催化效果,利用电化学沉积方法,在其表面制备了au纳米颗粒,最终合成了au/rgo-cnts催化敏感材料。实验结果显示制备的复合纳米材料对肼表现出了非常优异的电催化性能,基于au/rgo-cnts的肼电化学传感器灵敏度可以达到9.73μa·μm-1·cm-2,线性检测区间为0.3-319μm,检测极限为0.065μm。(4)在前期研究工作基础上,利用湿法纺丝技术分别将GO和GO-CNTs组装成直径约200μm的宏观一维(1D)纤维结构,还原后的电学特性测试发现,与石墨烯纤维(graphene fiber)相比,石墨烯-碳纳米管纤维(graphene-CNTs fiber)的密度和电导率得到显著提高。在纤维表面修饰Au纳米颗粒后制备出可用于肼检测的Au/grapheme fiber和Au/grapheme-CNTs fiber两种纤维电极。实验结果表明两种纤维电极对肼均表现出较好的检测特性,其中AuNPs/graphene-CNTs fiber在0.5-968μM线性检测范围内的检测灵敏度可以达到7.32μA·μM-1·cm-2,检测极限达到0.071μM。制备的这种纤维电极使用更加方便,并在一定程度上降低了传感器的制作成本。本论文通过以上四部分工作,分别研究了三类纳米材料对肼的电催化及检测特性,并测试计算了不同肼电化学传感器的传感性能参数,为更深入广泛地研究其它纳米材料对肼的电催化性能提供了理论和实验基础。通过上述研究工作发现,基于Au修饰的石墨烯-碳纳米管复合材料及其1D纤维对肼表现出了更优异的检测性能,其中还可以将纤维电极应用到微流检测芯片中,有效提高分析效率并减小样品消耗,这为构建高性能的肼电化学传感器提供了新的思路和方向。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O657.1;TP212.2

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本文编号：1348004