多孔碳纳米复合材料电化学传感器制备及应用研究

发布时间：2017-05-21 08:14

  本文关键词：多孔碳纳米复合材料电化学传感器制备及应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：IV多孔碳材料作为一种新型形貌的纳米结构的碳材料,不仅具有较大的电活性表面积、较多的活性位点、良好的导电性和机械稳定性,而且表面还分布着独特的多孔结构。多孔碳是一种新型催化剂和催化剂载体。多孔碳其尺寸可调节的多孔结构不仅有利于纳米粒子的生长和限制纳米粒子的团聚,很大程度上提高了纳米粒子的分散性,还有利于反应物质在电极表面的扩散,继而有效地提高了纳米复合电催化剂的性能。生长在孔内的纳米粒子经过长时间使用后不容易从多孔碳载体骨架上脱落。多孔碳及其复合材料优异的性能使其在电催化剂载体、燃料电池、电容器、锂离子电池以及电化学传感器等研究领域有着广阔的应用前景。本论文文献综述部分重点介绍了多孔碳材料的分类、制备、功能化以及应用。本论文以多孔碳(有序介孔碳(OMC)和三维大孔碳(MPC))为载体,充分利用多孔碳的特点制备出新颖的多孔碳基纳米复合材料。研究的结果表明所制备的多孔碳基的纳米复合材料可以作为性能良好的电化学传感器,对具有电活性的环境污染物和生物分子的电化学检测具有线性范围宽、灵敏度高、检出限低以及稳定性和重现性好等优点。本论文包括以下几个方面:(1)我们合成了一种贵金属Pt纳米粒子负载的MPC纳米复合材料(Pt/MPC)。在合成过程中,先在MPC的表面修饰一层聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)表面活性剂,由于PDDA带正电荷,可以与带负电荷的26Pt Cl-产生静电吸附作用,用乙二醇作为贵金属还原剂,采用微波辅助加热的方法合成了Pt/MPC。我们用所合成的Pt/MPC纳米复合材料修饰玻碳电极,对环境污染物硝基苯的电化学行为进行了研究,所构建的电化学传感器对硝基苯的检测具有线性范围宽、灵敏度高、检出限低、重现性好等优点。(2)我们报道了用一种简单、快速、绿色环保的方法来合成多金属氧酸盐(POMs)包裹的贵金属Au纳米粒子负载的OMC纳米复合物(Au@POMs/OMC)。在此过程中POMs既作贵金属的还原剂,又作贵金属纳米粒子与OMC的连结剂,解决了在还原贵金属和将贵金属纳米粒子负载在碳材料上经常出现的高温、耗时以及不环保等问题。所构建的基于Au@POMs/OMC的电化学传感器,对电活性生物分子具有很好的分析检测性能。(3)我们采用了一种简单的一步碳化法制得了N掺杂的OMC材料(OMCN)。在合成过程中,以有序介孔硅SBA-15作为硬模板,三聚氰胺既作碳源,又作氮源,通过改变不同的碳化温度,合成了一系列OMCN-x纳米材料。所合成的NOMC-x解决了贵金属催化剂合成成本高的问题。我们用电活性物质H2O2、硝基苯和NADH作为电化学探针,对这一系列基于OMCN-x纳米材料的电化学传感器进行了表征。(4)有文献报道了一些关于金属有机框架结构(MOF)材料在电化学领域的研究工作,但是大多数MOF材料的缺点是它们在水溶液中往往不稳定,并且导电性较差。为了克服MOF的这些缺点,我们合成了一种Cu-MOF负载的MPC纳米复合材料(Cu-MOF-MPC)。在我们的研究中发现,一方面,MPC的加入可以限制MOF晶体的自由生长和团聚,大大减小了MOF晶体的尺寸,使其在水溶液中结构不易坍塌;另一方面,MOF晶体深深地嵌入到碳材料骨架中,MPC可以将MOF牢牢地固定住,同样降低了MOF材料的结构在水溶液中坍塌的风险。除此之外,MPC的加入有效地提高了复合材料的导电性,使其在电催化领域有着更为广阔地应用前景。
【关键词】：多孔碳 贵金属纳米粒子 氮掺杂 多酸 金属有机框架结构 电催化 电化学传感器
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ127.11;TP212.2
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 第一章 文献综述10-36
• 1.1 前言10-11
• 1.2 多孔碳材料的定义11
• 1.3 多孔碳材料的制备11-14
• 1.3.1 硬模板法制备多孔碳11-12
• 1.3.2 软模板法制备多孔碳12-13
• 1.3.3 无模板法制备多孔碳13-14
• 1.4 多孔碳材料的功能化14-15
• 1.4.1 多孔碳的表面氧化14
• 1.4.2 多孔碳的聚合物修饰14-15
• 1.4.3 多孔碳的杂原子掺杂15
• 1.4.4 贵金属纳米粒子修饰的多孔碳15
• 1.5 多孔碳在电化学中的应用15-17
• 1.5.1 多孔碳在电化学储能、燃料电池、锂电和电容器中的应用16
• 1.5.2 多孔碳在电化学检测中的应用16-17
• 1.6 本工作的意义17-19
• 参考文献19-36
• 第二章Pt纳米粒子负载的大孔碳材料及其电化学应用36-50
• 2.1 前言36-37
• 2.2 实验37-39
• 2.2.1 试剂（实验中所用的试剂名称、规格和供货单位见表 2-1）37-38
• 2.2.2 仪器（实验中所用的仪器名称和型号见表 2-2）38
• 2.2.3 SiO2 小球模板、MPC和Pt/MPC纳米复合材料的制备38-39
• 2.2.4 修饰电极的制备39
• 2.3 结果与讨论39-44
• 2.3.1 MPC和Pt/MPC复合物的表征39-41
• 2.3.2 Pt/MPC对NB电化学行为的研究及电化学检测41-44
• 2.4 结论44-45
• 参考文献45-50
• 第三章 简单、快速、绿色环保的方法合成Au@POMs/OMC三嵌段复合物及其电化学应用50-73
• 3.1 前言50-51
• 3.2 实验51-53
• 3.2.1 试剂（实验中所用的试剂名称、规格和供货单位见表 3-1）51-52
• 3.2.2 仪器（实验中所用的仪器名称、型号和生产厂家见表 3-2）52
• 3.2.3 OMC和Au@POMs/OMC三嵌段纳米复合材料的制备52-53
• 3.2.4 修饰电极的制备53
• 3.3 结果与讨论53-65
• 3.3.1 OMC和Au@POMs/OMC复合物的表征53-57
• 3.3.2 Au@POMs/OMC对AP、H2O2和NADH电化学行为的研究及电化学检测57-65
• 3.4 结论65-66
• 参考文献66-73
• 第四章 简单的方法合成二维氮掺杂的有序介孔碳及其对于H2O2、硝基苯和NADH的电化学研究73-90
• 4.1 前言73-74
• 4.2 实验74-76
• 4.2.1 试剂（实验中所用的试剂名称、规格和供货单位见表 4-1）74
• 4.2.2 仪器（实验中所用的仪器名称、型号和生产厂家见表 4-2）74-75
• 4.2.3 OMCN-x的制备75
• 4.2.4 修饰电极的制备75-76
• 4.3 结果与讨论76-84
• 4.3.1 OMCN-x材料的表征76-79
• 4.3.2 OMCN对H2O2、NB和NADH电化学行为的研究及电化学检测79-84
• 4.4 结论84-85
• 参考文献85-90
• 第五章 金属有机框架结构负载的大孔碳纳米复合材料及其电化学应用90-113
• 5.1 前言90-91
• 5.2 实验91-93
• 5.2.1 试剂（实验中所用的试剂名称、规格和供货单位见表 5-1）91
• 5.2.2 仪器（实验中所用的仪器名称、型号和生产厂家见表 5-2）91-92
• 5.2.3 Cu-MOF和Cu-MOF-MPC复合材料的制备92-93
• 5.2.4 修饰电极的制备93
• 5.3 结果与讨论93-106
• 5.3.1 MPC、Cu-MOF和Cu-MOF-MPC的表征93-95
• 5.3.2 所制备样品的热稳定性、水溶液稳定性和电化学稳定性95-98
• 5.3.3 所制材料的电化学性能及其对 H_2O_2、NADH、AA 和 Hb 的电化学检测98-106
• 5.4 结论106-107
• 参考文献107-113
• 致谢113-114
• 在读期间公开发表论文情况114-115

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