碳基复合物修饰电极的制备及其在重金属检测和甲醇催化氧化中的应用

摘要

电化学法用于分析检测和催化，快速高效，应用广泛。但其核心部件电化学传感器（修饰电极）仍存在修饰材料容易脱落，影响重现性的问题。电化学检测重金属离子检测效率和灵敏度仍有待提高，电化学催化甲醇氧化所用催化剂多为贵金属催化剂，价格昂贵，容易和中间产物CO结合而中毒。 针对修饰材料容易脱落，本论文利用电聚合和电沉积的方法制得修饰电极，材料与电极结合牢固，重现性好，不需要高温，制作周期短。针对当前重金属离子检测效率以及灵敏度仍待提高，本论文采用电聚合法，选择高导电性碳材料结合聚精氨酸、聚环糊精（富含易与重金属离子螯合的氨基、羟基等基团的有机聚合物），通过高效的电化学溶出伏安法检测Pb2+和Cd2+。针对贵金属催化剂（甲醇燃料电池阳极催化材料）昂贵、易中毒现状，本论文采用电沉积法，以高导电性碳材料结合镍铝水滑石（镍基材料能高效催化甲醇氧化），寻找贵金属催化剂替代材料。主要研究内容如下： 第一，通过电化学聚合的方法得到碳纳米管/聚L-精氨酸（CNTs/poly(L-Arg)）膜材料，复合膜的结构和形态采用场发射扫描电镜和红外光谱表征，对影响重金属离子检测的化学因素和电化学因素如pH值、预富集电压、预富集时间进行优化。聚L-精氨酸对Pb2+有螯合作用，碳纳米管有良好的导电性和较大的比表面积，CNTs/poly(L-Arg)材料结合了两者的优点，修饰玻碳电极用于选择性的检测Pb2+，优于碳纳米管和聚L-精氨酸分别修饰的电极，线性范围宽，并具有良好的重现性和重复性，为其实际应用提供可能。 第二，采用电聚合得到碳纳米管/聚β-环糊精（CNTs/poly(β-CD)）复合膜材料修饰玻碳电极，材料的结构、形态采用场发射扫描电镜和红外光谱表征，其电化学特性利用循环伏安扫描和交流阻抗表征。碳纳米管和聚精氨酸形成协同作用，经优化后，碳纳米管/聚β-环糊精用于同步检测重金属离子Pb2+和Cd2+，Pb2+和Cd2+各自的峰形清晰且不互相影响，具有较好的选择性和抗干扰能力，在同步检测多种重金属离子方面显示出巨大潜力。 第三，通过一步电沉积法，在玻碳电极表面上得到石墨烯量子点/镍铝水滑石（GQD/Ni-Al LDHs）复合纳米薄膜，通过循环伏安和计时电流研究其对甲醇的电催化活性，由于GQD和Ni-Al LDHs的有效复合，对比Ni-Al LDHs电极，复合电极催化甲醇氧化时显示出更低的氧化电压和更高的氧化电流，具有广泛的应用前景。

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 电化学传感器的概述

1.3 电化学传感器的应用

1.4 电化学传感器的修饰材料

1.5 本论文的意义和主要内容

第二章 CNTs/poly(L-Arg)修饰电极的制备及用于高灵敏检测水中Pb2+

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 CNTs/poly(β-CD)修饰电极用于同步检测Pb2+和Cd2+

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章总结

第四章 一步电沉积GQDs/Ni-Al LDHs纳米复合材料用于高效催化甲醇氧化

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间获得研究成果

致谢

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