溶剂剥离石墨烯的电化学增敏机理、功能化及高灵敏传感应用

发布时间：2017-04-20 06:10

  本文关键词：溶剂剥离石墨烯的电化学增敏机理、功能化及高灵敏传感应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：石墨烯的出现在世界范围内掀起了一股研究热潮,由于其独特的结构以及优异的性能,已在物理、化学、材料、能源等领域引起了极大的关注。本论文以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂,通过超声剥离石墨简便高效地制备出石墨烯纳米片,详细研究了NMP剥离石墨烯的电化学传感特性,并进一步研究了NMP剥离石墨烯纳米片的功能化改性及其电化学增敏机理,阐述了显著提高电化学响应信号的作用机制,建立了生物小分子、环境激素、食品添加色素等物质的高灵敏电化学检测新方法。本论文研究内容主要包括以下五个部分： (1)通过强氧化剂氧化石墨方法制备出石墨烯氧化物(GO),并利用硼氢化钠还原GO得到还原型石墨烯氧化物(RGO)。研究了克伦特罗和莱克多巴胺的电化学行为,发现GO对二者的信号增强能力优于RGO。借助SEM、粒径分析、FTIR以及XPS等方法深入探讨了GO与RGO增敏效应的差异,结果表明GO表面丰富的含氧官能团是主要原因。基于GO显著的信号增强作用,建立了一种高灵敏的克伦特罗与莱克多巴胺的电化学检测新方法,检测限分别为17和15μg L-1,将此方法用于猪肉样品分析,加标回收率在90.1%-98.6%之间。 (2)以NMP为剥离试剂,通过超声剥离石墨简便高效地制备出石墨烯纳米片(GS),探讨了剥离时间的影响规律。SEM、 TEM、 Raman及粒度分析表明随超声时间的延长,GS的产率逐渐提高,表面缺陷逐渐增多,粒径逐渐减小。进一步研究了GS的电化学传感性能,与RGO相比,NMP剥离制备的GS对抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)、尿酸(UA)、黄嘌呤(XA)、次黄嘌呤(HXA)、双酚A(BPA)、胭脂红(ponceau4R)和日落黄(sunset yellow)的氧化增敏效应更显著,并且超声剥离时间越长,得到的GS的电化学活性越高。基于NMP剥离石墨烯显著的信号增强效应,成功构建了一种新型的高灵敏电化学传感平台。 (3)将上述NMP剥离的GS固体重新分散在低沸点溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,通过挥发溶剂制备出一种修饰玻碳电极。研究了对乙酰氨基酚(AC),鸟嘌呤(G)和腺嘌呤(A)的电化学行为,结果表明GS对三者的增敏效应明显优于RGO和裸玻碳电极。电化学阻抗谱(EIS)证实这种更高的增敏效应来源于GS更快的电子传递速率和更大的活性表面积。基于此,建立了AC、G和A的高灵敏电化学检测新方法,检出限分别为25nM,10nM和10nM。将该方法用于药片及鲱鱼精样品检测,结果令人满意。 (4)将NMP剥离的GS与水热法制备的多孔氧化铁(Fe2O3)微球复合,构建了一种功能化的石墨烯传感界面(GS-Fe2O3). SEM、 TEM、 XRD表征证实二者不仅有效地复合在一起,而且拥有更明显的三维结构。BPA的电化学响应规律表明GS-Fe2O3对其氧化有明显的协调增强效应,并且在溶液中加入十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)后,协调增敏效应更加显著,BPA的氧化电流得到极大的提高。基于GS-Fe2O3与CTAB的协同信号增强效应,成功建立了一种高灵敏的双酚A电化学检测新方法,检出限达到2.5nM。 (5)借助电化学氧化,实现了NMP剥离石墨烯纳米片的电化学功能化。研究发现GS对邻苯二酚,对苯二酚,对氯苯酚和对硝基酚电化学氧化的活性明显高于GO。尤为重要的是,GS在1.8V氧化2min后,其电化学性能得到显著提高,对上述四种酚的氧化增敏效应更加显著。XPS、 Raman、 AFM、 EIS研究表明电化学功能化GS显著增强的电化学活性主要来源于表面含氧官能团、边平面缺陷含量、表面粗糙度的增加以及电子传递速率的提升。以电化学功能化GS作为敏感材料,成功构建了一种高灵敏的酚类电化学检测平台,对苯二酚,邻苯二酚,对氯苯酚和对硝基酚的检测限分别达到了0.012μM,0.015μM,0.01μM和0.04μM。
【关键词】：石墨烯 溶剂剥离 功能化 增敏机理 电化学传感器
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O657.1;TP212
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-43
• 1.1 石墨烯概述11-12
• 1.2 石墨烯的表征技术12-13
• 1.3 石墨烯的制备方法13-25
• 1.4 石墨烯的功能化25-29
• 1.5 石墨烯在电化学传感中的应用29-32
• 1.6 论文选题背景和主要研究内容32-34
• 参考文献34-43
• 2 基于石墨烯氧化物信号增强的克伦特罗与莱克多巴胺高灵敏检测新方法43-58
• 2.1 前言43-44
• 2.2 实验部分44-46
• 2.3 结果和讨论46-54
• 2.4 本章小结54-56
• 参考文献56-58
• 3 NMP剥离石墨烯的性能调控及高灵敏电化学传感应用58-78
• 3.1 引言58
• 3.2 实验部分58-60
• 3.3 结果和讨论60-71
• 3.4 本章小结71-73
• 参考文献73-78
• 4 基于NMP剥离石墨烯增敏效应的高灵敏对乙酰氨基酚、鸟嘌呤和腺嘌呤的检测新方法研究78-94
• 4.1 引言78-79
• 4.2 实验部分79-80
• 4.3 结果和讨论80-91
• 4.4 本章小结91-92
• 参考文献92-94
• 5 NMP剥离石墨烯-纳米氧化铁协调增敏机制及高灵敏双酚A检测新体系94-111
• 5.1 引言94-95
• 5.2 实验部分95-96
• 5.3 结果和讨论96-107
• 5.4 本章小结107-108
• 参考文献108-111
• 6 NMP剥离石墨烯的电化学功能化增敏机理及酚类污染物的高灵敏检测应用111-129
• 6.1 引言111-112
• 6.2 实验部分112-113
• 6.3 结果和讨论113-123
• 6.4 本章小结123-124
• 参考文献124-129
• 致谢129-130
• 附录 攻读博士学位期间发表论文及专利130-131

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本文编号：318052