基于碳納米材料的電化學生物傳感及催化的研究.pdf

1、由于納米材料的特殊結(jié)構(gòu)及其特有的物理和化學特性，使得納米材料在生物傳感、光電化學催化、材料工程、生物醫(yī)學、能源轉(zhuǎn)化與儲存以及環(huán)保等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應用，并表現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢。碳基納米材料因其具有高的比表面積、優(yōu)良的導電性和化學穩(wěn)定性，近些年來受到了科學界尤其是電化學界廣泛的關(guān)注，也取得了眾多突破性的研究進展。
　　本論文結(jié)合了材料科學、分析化學、電化學等領(lǐng)域的研究，構(gòu)建了基于碳納米材料的功能納米復合物，并將其應用于生物傳感以及電

2、化學催化研究中，主要分為以下幾個部分:
　　第一章，首先介紹了納米材料、電化學傳感器、以及燃料電池的基本原理、研究現(xiàn)狀和應用領(lǐng)域，并綜述了納米材料在電化學傳感以及能源相關(guān)的電化學催化中的應用。在此基礎(chǔ)上提出了本論文的研究設想，即基于納米碳材料構(gòu)建功能化納米復合物，并應用于研究生物傳感以及電化學催化。
　　第二章，基于多層介孔碳納米球自組裝膜固定細胞色素c的直接電化學及其對過氧化氫的催化傳感研究:通過層層自組裝的方法，將有序介

3、孔碳納米球(MCNs)與聚電解質(zhì)通過靜電作用修飾到氧化錫銦(ITO)電極表面，進而吸附細胞色素c（Cytc），研究了該固定化Cyt c的直接電化學行為以及對H2O2的催化響應。采用紫外可見吸收光譜表征了不同層數(shù)MCNs膜對Cytc固定量的影響。在沒有任何外加電子媒介體的存在下，吸附于MCNs膜上的Cyt c呈現(xiàn)出一對峰形良好的氧化還原峰，證明其與電極之間成功發(fā)生了直接電子轉(zhuǎn)移。掃速研究表明Cytc的直接電化學行為是一個表面控制的過程，異

4、相電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)為5.9±0.2s-1。該傳感器對H2O2具有良好的電催化響應，測定H2O2的線性范圍較寬（5μM-1.5 mM），檢測限較低（1.0μM）。
　　第三章，基于鈀納米粒子/介孔碳球納米復合物的過氧化氫傳感研究:選用高比表面積、大孔容的介孔碳納米球(MCNs)作為載體，將PdCl2前驅(qū)體原位還原為負載型Pd納米粒子。透射電鏡(TEM)和X射線衍射(XRD)表征結(jié)果顯示負載的Pd納米粒子具有良好的分散性和均一的粒徑（

5、4-5 nm）。使用Pd/MCNs納米復合物修飾電極構(gòu)建了一種非酶H2O2傳感器，采用循環(huán)伏安法和計時安培法對傳感器的性能進行了考察和優(yōu)化，結(jié)果顯示該傳感器對H2O2具有較高的電催化活性:響應靈敏度高(307.5μA cm2-)、檢測限低（1.0μM）、線性范圍寬(7.5μM-10 mM)。同時該傳感器具有較好的穩(wěn)定性和較強的抗干擾能力。
　　第四章，基于Pt-多級孔碳泡沫復合物的甲醇電化學氧化的研究:采用有序大孔硅泡沫作為模板，

6、一步合成了同時具有微孔、介孔和大孔的碳泡沫材料(MCF)。掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、氮吸附結(jié)果表明MCF具有典型的泡沫狀形態(tài)、較大的比表面積和孔容以及獨特的多孔結(jié)構(gòu)。以MCF為載體，采用多元醇還原法，得到了原位負載的鉑納米粒子，XRD結(jié)果顯示了復合物中Pt納米粒子的多個晶面;TEM結(jié)果表明Pt納米粒子具有較好的分散性和均一的粒徑分布。將Pt/MCF復合物修飾電極，考察了該復合物對甲醇氧化的電化學催化和響應。結(jié)果表明:相比于

7、商業(yè)化Vulcan XC-72炭黑為載體合成的Pt/C催化劑，Pt/MCF復合物具有更大的電化學活性比表面積，因而在催化甲醇氧化過程中顯示出更高的催化活性。
　　第五章，基于MoS2/介孔碳納米球復合物的電化學析氫催化的研究:選用介孔碳納米球(MCNs)作為載體，采用水熱法將四硫鉬酸銨原位還原成成負載的MoS2納米粒子，并運用掃描電鏡、透射電鏡、X射線光電子能譜以及等離子發(fā)射光譜技術(shù)對MoS2納米粒子的形態(tài)、組成及含量進行了表征，

8、結(jié)果顯示負載的MoS2具有典型的層狀結(jié)構(gòu)和較好的分散性。使用該MoS2/MCNs納米復合物修飾電極，采用線性掃描伏安法和阻抗測量等電化學手段，研究了該催化劑對電化學析氫的催化效果，結(jié)果表明，MoS2/MCNs納米催化劑對析氫反應具有較高的的催化活性，降低了析氫的過電位低(η=100 mV)并提高了電流密度，例如在200 mV過電位下，電流密度可達34 mA cm-2。進一步地，我們根據(jù)Tafel方程對MoS2/MCNs納米復合物催化析氫