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構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、生物醫學、能源轉化與儲存以及環保等眾多領域有著廣泛的應用，并表現出其獨特的優勢。碳基納米材料因其具有高的比表面積、優良的導電性和化學穩定性，近些年來受到了科學界尤其是電化學界廣泛的關注，也取得了眾多突破性的研究進展。
　　本論文結合了材料科學、分析化學、電化學等領域的研究，構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、研究現狀和應用領域，并綜述了納米材料在電化學傳感以及能源相關的電化學催化中的應用。在此基礎上提出了本論文的研究設想，即基于納米碳材料構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呈現出一對峰形良好的氧化還原峰，證明其與電極之間成功發生了直接電子轉移。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、相電子轉移速率常數為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建了一種非酶H2O2傳感器，采用循環伏安法和計時安培法對傳感器的性能進行了考察和優化，結果顯示該傳感器對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)、氮吸附結果表明MCF具有典型的泡沫狀形態、較大的比表面積和孔容以及獨特的多孔結構。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結果顯示了復合物中Pt納米粒子的多個晶面;TEM結果表明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。結果表明:相比于

7、商業化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射光譜技術對MoS2納米粒子的形態、組成及含量進行了表征，

8、結果顯示負載的MoS2具有典型的層狀結構和較好的分散性。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Tafel方程對MoS2/MCNs納米復合物催化析氫