碳納米管的電化學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用研究.pdf

1、碳納米管吸引了世界眾多的科學(xué)家。碳納米管小的尺寸、強度及其結(jié)構(gòu)顯著的物理性質(zhì)，使得它們有希望成為獨特的材料被應(yīng)用于眾多的領(lǐng)域。根據(jù)碳納米管原子的結(jié)構(gòu)，可視為金屬和半導(dǎo)體。由于碳納米管優(yōu)異的電子特性，當把它用作電極時，有可能增強電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。但是碳納米管巨大的分子量，直接導(dǎo)致了碳納米管的不可溶解性，使得它不容易進行化學(xué)反應(yīng)。然而，當碳納米管的結(jié)構(gòu)發(fā)生特定變化時并產(chǎn)生一些具有反應(yīng)活性的官能團之后(如羥基和羧基)，化學(xué)反應(yīng)就可能進行。對碳納米

2、管的電化學(xué)研究起步較晚，初步的研究發(fā)現(xiàn)碳納米管對某些生物分子的電化學(xué)反應(yīng)有較好的催化作用。值得注意的是在這些研究中，碳納米管僅僅當作傳統(tǒng)電極的修飾材料，比如，將碳納米管涂在鉑、金和玻碳電極上，或者將碳納米管嵌入石墨電極表層中。如果將碳納米管視為一種可能的電極材料(不只是修飾材料)，有必要系統(tǒng)地研究基于單純碳納米管電極的電化學(xué)性質(zhì)。 本論文首先討論了對碳納米管的不同酸處理方法，并用透射電鏡圖和傅里葉紅外譜表征了處理前后碳納米管，結(jié)

3、果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過酸處理后的碳納米管的端頭被打開，并接上了羧基，成為羧基修飾的碳納米管。通過熱電阻和循環(huán)伏安法實驗，測定了碳納米管膜電極的導(dǎo)電性和電化學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明，決定碳納米管電化學(xué)性質(zhì)的兩個重要因素：一是碳納米管的活性官能團；另一個是碳納米管膜的激活能。官能團使得碳納米管電極具有低的背景電流和平寬的電位窗口；激活能的高低則決定了在電化學(xué)反應(yīng)時電子轉(zhuǎn)移速度的快慢。從對不同方法處理的碳納米管電極的測試實驗中發(fā)現(xiàn)，硝酸10分鐘處理的碳納米管電極

4、具備最好的與羧基相關(guān)的紅外譜和最低的激活能，因此表現(xiàn)出最佳的電化學(xué)特性，即小的背景電流，平寬的電位窗口，對于Fe3+/Fe2+、Fe(CN)63-/Fe(CN)64-和Hydroquinone/quinone的氧化還原反應(yīng)有很好的準可逆循環(huán)伏響應(yīng)和快的電子轉(zhuǎn)移速度常數(shù)。硝酸10分鐘處理的碳納米管電極可以成為一種新型的電極材料。 將經(jīng)羧基修飾碳納米管電極應(yīng)用于對生物分子的電分析。結(jié)果表明，與玻碳電極相比，碳納米管電極對多巴胺、腎上

5、腺素、磺胺嘧啶和抗壞血酸均有較強的催化作用，其中，催化作用使得多巴胺、腎上腺素、磺胺嘧啶的氧化峰電流有很大的增強；而使得抗壞血酸氧化電位負移。原因可能是碳納米管的微孔管道結(jié)構(gòu)和端頭的活性羧基所致。重要的是這種催化作用使得碳納米管電極在大量抗壞血酸與微量多巴胺或腎上腺素共存下的電化學(xué)檢測表現(xiàn)出很好的選擇性和很高的靈敏度，檢測極限達10-7mol-1。并實現(xiàn)了在模擬生理pH值溶液中對微量多巴胺或腎上腺素的檢測。對微量磺胺嘧啶的檢測也給出令人

6、滿意的結(jié)果。 實驗發(fā)現(xiàn)在低濃度的水溶液中，用碳納米管電極可以“完全燃燒”有毒有機物苯酚為二氧化碳，并能有效清除有毒無機物聯(lián)氨和疊氮化鈉。它表明碳納米管電極可以用于電化學(xué)處理廢水中的有毒成分?？刂齐娀瘜W(xué)反應(yīng)按照電化學(xué)燃燒的路徑進行需要兩個條件，一是較低的被氧化物濃度，二是電極中有大量的羥基存在。由于構(gòu)成電極的材料是納米級的，經(jīng)羧基修飾的碳納米管電極有大量的羥基存在于電極中，它提供了電化學(xué)燃燒的必要條件；碳納米管的多孔管道結(jié)構(gòu)，使分

7、子或離子能夠很容易地通過管道到達羥基所在的場所，此種的納米結(jié)構(gòu)極大地增強了對有毒化合物的燃燒或清除能力。因此，在氧化過程中幾乎沒有電極積垢產(chǎn)生，并能保持長時間的電極活性。 為了研究碳納米管超微電極在生物電分析中的應(yīng)用，需要一種重要的超微電極的電連接材料—電功能化微米線。因此，本文同時對雙向電泳法自組裝電功能化微米線的生長機理進行了研究。根據(jù)交流電動力學(xué)，對微米線生長過程中的電勢、場強和電泳力空間分布的解析表達式進行了理論推導(dǎo)，并