納米材料的合成及其在電化學(xué)傳感和鋰離子電池中的應(yīng)用.pdf

1、近年來(lái),對(duì)于在能源安全、環(huán)境、生物安全等領(lǐng)域出現(xiàn)的日益突出的問(wèn)題,人們一直在致力于解決這些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),并研究開發(fā)新的技術(shù)與工藝用于能源的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、環(huán)境檢測(cè)、高性能傳感器等方面。由于納米材料的尺寸在100 nm范圍內(nèi),具有很高的比表面積和特殊的形貌結(jié)構(gòu),因此具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)。隨著對(duì)高性能的設(shè)備以及高效率技術(shù)的不斷需求,具有先進(jìn)功能的納米材料受到了越來(lái)越多的關(guān)注。納米技術(shù)以及納米材料的進(jìn)步為設(shè)計(jì)和發(fā)展電子器件、傳感器、鋰離子電池、

2、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域提供了新的方向。在本論文中,我們采用半導(dǎo)體摻雜、材料復(fù)合、控制形貌結(jié)構(gòu)等途徑對(duì)納米材料進(jìn)行改性和優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)了納米材料的電化學(xué)傳感性能和鋰離子電池性能的提高。本論文主要開展了以下幾方面的研究工作:
　　 (1)鑒于摻雜半導(dǎo)體納米材料的高電學(xué)性能以及較好的生物相容性,針對(duì)電化學(xué)生物傳感器中酶生物分子的直接電子轉(zhuǎn)移困難等問(wèn)題,在第2章中我們采用熱蒸發(fā)的方法合成了Sb摻雜SnO2納米線,并以Sb摻雜SnO2納米線為載體

3、固定辣根過(guò)氧化物酶,構(gòu)造了無(wú)試劑無(wú)媒介體的過(guò)氧化氫生物傳感器。與無(wú)摻雜的SnO2納米線相比,Sb摻雜SnO2納米線具有良好的酶電子轉(zhuǎn)移性能和更高的H2O2催化活性。該傳感器具有高的靈敏度,寬的線性范圍和長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性等良好性能。這些可歸因于由Sb摻雜引起載流子濃度的增強(qiáng)和Sb摻雜SnO2納米線提供的生物相容的微環(huán)境。這項(xiàng)研究表明,Sb摻雜SnO2納米線為無(wú)媒介的生物傳感器的構(gòu)建提供了很有應(yīng)用潛力的平臺(tái),并為納米科學(xué)和納米器件的研究提出了

4、新的見解。
　　 (2)對(duì)于電化學(xué)酶?jìng)鞲衅鞫?關(guān)鍵問(wèn)題是酶分子的有效固定和酶的氧化還原中心與電極表面之間的直接電子轉(zhuǎn)移。基于有機(jī)物模板的靜電層層自組裝技術(shù)(LbL)可以通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的制備過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)膜層厚度、結(jié)構(gòu)和組成的調(diào)節(jié)和控制,被廣泛地應(yīng)用于制備各種帶有正負(fù)電荷的功能性生物復(fù)合薄膜。但是采用LBL技術(shù)固定酶蛋白存在一個(gè)主要的問(wèn)題需要解決:預(yù)處理膜和基底之間的作用力比較弱并且穩(wěn)定性比較差。在長(zhǎng)時(shí)間的制備過(guò)程中經(jīng)常是不可控的。因

5、此,為了提高預(yù)處理薄膜的穩(wěn)定性,界面之間的共價(jià)鍵結(jié)合是十分必要的。在第3章中,我們通過(guò)使用一種簡(jiǎn)單而靈活的電接枝方法將聚(N-巰基丙烯酰胺)固定在玻碳電極表面,為Au納米顆粒和辣根過(guò)氧化物酶的穩(wěn)定附著提供了固定牢固的底層薄膜?；诠潭ㄓ贏u/聚(N-巰基丙烯酰胺)復(fù)合薄膜的辣根過(guò)氧化物酶的生物傳感器對(duì)于H2O2的還原具有良好的電催化活性和長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性,這歸因于電接枝薄膜的穩(wěn)定性和Au納米顆粒的生物相容性。我們的研究結(jié)果表明電接枝和Au

6、納米顆粒的組合為生物分子的固定和分析氧化還原酶的傳感應(yīng)用提供了一個(gè)充滿前景的平臺(tái)。
　　 (3)酶基的生物傳感器普遍存在穩(wěn)定性較差、酶的成本較高以及構(gòu)建過(guò)程復(fù)雜等缺點(diǎn)。并且酶的活性很容易受到溫度、溶液pH值、化學(xué)毒性分子的影響從而導(dǎo)致酶的失活。因此,為了解決這些問(wèn)題,非酶生物傳感器的研究受到了廣泛的關(guān)注。在第4章中,我們采用簡(jiǎn)單的原位沉積的方法制備了基于MnO2/石墨氧化物復(fù)合物的非酶生物傳感器,用于檢測(cè)過(guò)氧化氫?；诖藦?fù)合物制

7、備的生物傳感器對(duì)過(guò)氧化氫具有良好的電催化活性。該方法具有工作電位低、靈敏度高、檢測(cè)限低和穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)良的性能主要?dú)w因于石墨氧化物為MnO2納米顆粒的沉積提供了極大的表面積。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明這種具有高表面積和催化活性的納米復(fù)合物為非酶型生物傳感器提供了一種新型電極材料。
　　 (4)石墨烯具有比表面積大,導(dǎo)電性高,易功能化等優(yōu)點(diǎn),因而在電化學(xué)生物傳感技術(shù)領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。納米功能材料與石墨烯的復(fù)合通常可以增強(qiáng)每個(gè)組分的

8、電學(xué)和化學(xué)特性。因此在第5章中,我們采用電化學(xué)共同沉積法將普魯士藍(lán)顆粒與水溶性的石墨烯納米片復(fù)合沉積在玻碳電極表面,并進(jìn)一步了對(duì)這個(gè)復(fù)合體系的生物傳感性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),普魯士藍(lán)/石墨烯復(fù)合物修飾的電極在低電位下對(duì)過(guò)氧化氫具有良好的響應(yīng)性能。制備的傳感器具有線性范圍寬、靈敏度高、響應(yīng)速度快以及檢測(cè)限低等點(diǎn)。
　　 (5)為了緩解金屬氧化物納米材料在用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)存在的粉化問(wèn)題以及提高材料的循環(huán)性能,合成