纳米粒子非共价修饰石墨烯基材料制备及其在电化学中应用

摘要

作为具有独特性能的二维平面准晶体材料，石墨烯负载高催化活性的金纳米粒子(AuNPs)后，可当作电极材料，不仅能加快电子传递速率，还可以增大工作电极的有效面积，提高电极的活性中心，从而构建高效的电化学传感器。同时，由合成石墨烯空心球的理想模板的介孔二氧化硅纳米粒子出发，所制备的石墨烯空心球也可当作电极材料在电催化氧还原反应也有很好的应用前景。
　　本论文通过制作简单，成本低，生产率高的非共价键方法功能化石墨烯，构建了两种不同方式复合纳米粒子的石墨烯复合材料结构。分别表征分析和研究了两种石墨烯的形态结构及其在电化学方面的应用。具体内容为：
　　1、采用“巯基-烯点击”方法将石墨烯与半胱胺反应得到共价功能化的石墨烯(GR-Cys)，然后将带负电荷的 AuNPs通过静电作用定向负载到 GR-Cys上，成功制备得到GR-Cys-AuNPs复合材料。通过TG、IR、TEM、Raman光谱、XRD和XPS等对GR-Cys和GR-Cys-AuNPs复合材料表征，证明石墨烯的成功共价功能化以及AuNPs的均匀分布且高效负载。而后，将GR-Cys-AuNPs复合材料组装到玻碳电极，可直接作为工作电极构筑电化学传感器。通过循环伏安(CV)和差示脉冲伏安法(DPV)电化学测试的结果表明：石墨烯与AuNPs的特殊结构和特性使得该修饰电极(GR-Cys-AuNPs/GCE)表现出很强的电催化活性和稳定性。基于复合修饰电极电化学传感器作为对尿酸(UA)和叶酸(FA)的检测，分别在0.1~300μmol·L-1和0.5~150μmol·L-1的浓度范围内表现出良好的线性关系，检测限分别可达到0.08和0.035μmol·L-1(S/N=3)。
　　2、设计合成了一个新的石墨烯纳米结构空心球(Graphene hollow sphere)。该Graphene hollow sphere的成功构建是利用非共价π-π键作用形成一个新型石墨烯包裹介孔硅球的结构，然后将内部的 SiO2经碳化后蚀刻，就得到内部空心的石墨烯球(Graphene hollow sphere)。通过SEM、TEM、XRD、Raman和XPS表征了石墨烯空心球的形貌与结构特点，确定了石墨烯空心球结构的完整与低缺陷。然后将石墨烯空心球材料修饰玻碳电极，初步探究了石墨烯空心球的电催化氧还原反应性能。通过CV与电化学阻抗谱(EIS)表明该空心球结构比石墨烯片层结构具有更好的电催化氧还原活性，具有潜在的应用价值。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 石墨烯简介

1.2 石墨烯功能化

1.3 纳米颗粒

1.4 石墨烯纳米粒子复合材料

1.5 石墨烯-纳米颗粒纳米复合材料在电化学领域的应用

1.6 论文意义及主要研究内容

第2章 功能化石墨烯与金纳米粒子复合材料制备及其应用研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 表征与测试

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

第3章 功能化石墨烯空心球的合成及其应用研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 表征与测试

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

结论与展望

参考文献

附录A 攻读硕士期间发表的学术论文

致谢