纳米多孔金属/石墨烯复合材料的合成及其电化学性能研究

摘要

近年来，纳米多孔金属材料以其独特的三维纳米孔隙、纳米韧带结构特征和一系列新颖的物理化学特性，成为新型功能纳米材料领域的研究热点，该材料在电催化、生物医学传感器及新能源技术等众多领域有着巨大的应用前景。石墨烯（GR）材料因其较高的比表面积、电子迁移率等性能与纳米多孔金属材料复合得到具有较高催化性能的纳米多孔金属/GR复合材料，应用于食品安全分析与生物小分子的检测研究。本论文主要采用电弧熔炼、熔体快淬和脱合金技术相结合的方法制备纳米多孔铂铁（NP-PtFe）、纳米多孔氧化铈（NP-CeO2）、纳米多孔铜（NP-Cu）和纳米多孔镍铂（NP-NiPt），运用以上制备的纳米多孔金属材料与GR材料进行复合，而后研究所得到的纳米多孔金属/GR复合材料作为电极修饰材料在电化学传感器中的应用。主要内容如下： 1.采用电弧熔炼-熔体快淬-脱合金的方法制备NP-PtFe、NP-CeO2、NP-Cu，而后与具有良好催化特性的GR材料复合来修饰玻碳电极（GCE），成功制备了快速、灵敏、抗干扰性能好的NP-PtFe/GR/GCE、NP-CeO2/GR/GCE、NP-Cu/GR/GCE电化学传感器。NP-PtFe/GR/GCE修饰电极相比裸电极、GR/GCE、NP-Pt/GCE和NP-PtFe/GCE修饰电极对双酚A（BPA）具有较好的电催化性能，在0.2μM-96μM底物范围内具有良好的线性和较低的检出限，其值为0.17μM（S/N=3）。NP-CeO2/GR/GCE修饰电极相比裸GCE、GR/GCE和NP-CeO2/GCE修饰电极对三聚氰胺具有更强的电催化活性，其检测范围为0.05μM-20μM，检出限最低达到0.08μM（S/N=3）。NP-Cu/GR/GCE修饰电极相对裸电极、GR/GCE和NP-Cu/GCE修饰电极更易与多菌灵作用，在电化学检测时表现出更好的电催化性能，如较大的底物催化范围0.5μM-30μM和较低的检出限0.09μM（S/N=3）。同时，这一系列修饰电极都具有较好的重现性、稳定性和选择性，并且成功运用于BPA、三聚氰胺和多菌灵的检测。电化学传感器优良的催化性能得益于GR纳米复合材料的较高的孔隙率、较大的比表面积以及良好的导电性能。因此，NP-PtFe/GR/GCE、NP-CeO2/GR/GCE和NP-Cu/GR/GCE电化学传感器的构建为食品中BPA、三聚氰胺和多菌灵的痕量检测提供了一种快速、简单的检测方法。 2.首先采用电弧熔炼-熔体快淬-脱合金的方法制备NP-Ni，然后与贵金属盐（氯铂酸）溶液中的贵金属（Pt）通过简单的置换反应制得NP-NiPt，最后再与具有良好导电性和大比表面积的GR材料复合，通过滴涂法构建简单的NP-NiPt/GR/GCE修饰电极，成功用于生物小分子多巴胺（DA）的电化学检测。将NP-NiPt/GR/GCE修饰电极构建的电化学传感器与裸电极、GR/GCE和NP-NiPt/GCE相互对比，NP-NiPt/GR/GCE修饰电极具有最低的峰电位，较高的灵敏性、较好的重复性、再现性与选择性，其线性浓度检测范围为0.5μM-300μM，检出限最低达到0.41μM（S/N=3），并成功应用于生物活性分子的电化学检测，为人体新陈代谢生理过程中关键生物小分子DA的痕量分析提供良好的途径。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 前言

1.2.1电化学传感器概述

1.2.2电化学传感器的应用

1.2.3构建电化学传感器的材料

1.3.1纳米多孔金属材料概述

1.3.2纳米多孔金属材料的制备方法

1.3.3纳米多孔金属材料在电化学中的应用

1.5本文的研究意义及主要研究内容

2实验部分

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验仪器

2.2.1 材料的制备

2.2.2 修饰电极的制备

2.3.1 扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）

2.3.2 高分辨透射电子显微镜（HRTEM）

2.3.3 X射线衍射分析（XRD）

2.3.4 X射线光电子能谱分析（XPS）

2.4材料电化学性能测试

2.4.1 循环伏安法（CV）

2.4.2 差分脉冲伏安法（DPV）

2.4.3 方波伏安法（SWV）

3 基于NP-PtFe与石墨烯纳米复合材料的电化学传感器用于双酚A检测

3.1 引言

3.2NP-PtFe与修饰电极的制备

3.2.1 NP-PtFe材料的制备

3.2.2 修饰电极的制备

3.3NP-PtFe表征与电化学性能分析

3.3.1 NP-PtFe的SEM、EDS及HRTEM表征

3.3.2 NP-PtFe的XRD分析

3.3.3 NP-PtFe的XPS分析

3.3.4 实验条件优化

3.3.5 不同修饰电极的电化学行为

3.3.6 DPV测定BPA

3.3.7 重现性、稳定性及选择性研究

3.3.8 实际样品分析

3.4本章小结

4 基于 NP-CeO2与石墨烯纳米复合材料的电化学传感器用于三聚氰胺检测

4.1 引言

4.2NP-CeO2与修饰电极的制备

4.2.1 NP-CeO2材料的制备

4.2.2 修饰电极的制备

4.3NP-CeO2表征与电化学性能分析

4.3.1 NP-CeO2的SEM及HRTEM表征

4.3.2 NP-CeO2的XRD、XPS分析

4.3.3 实验条件优化

4.3.4 不同修饰电极的电化学行为

4.3.5 DPV测定三聚氰胺

4.3.6 重复性、重现性、稳定性及选择性研究

4.3.7 实际样品分析

4.4本章小结

5 基于 NP-Cu 与石墨烯纳米复合材料的电化学传感器用于多菌灵检测

5.1 引言

5.2NP-Cu与修饰电极的制备

5.2.1 NP-Cu材料的制备

5.2.2修饰电极的制备

5.3NP-Cu表征与电化学性能分析

5.3.1 NP-Cu的SEM及HRTEM表征

5.3.2 NP-Cu的XRD、XPS分析

5.3.3 实验条件优化

5.3.4 不同修饰电极的电化学行为

5.3.5 DPV测定多菌灵

5.3.6 重复性、重现性、稳定性及选择性研究

5.3.7实际样品分析

5.4本章小结

6 基于NP-NiPt与石墨烯纳米复合材料的电化学传感器用于DA检测

6.1 引言

6.2NP-NiPt与修饰电极的制备

6.2.1 NP-NiPt材料的制备

6.2.2 修饰电极的制备

6.3NP-NiPt表征与电化学性能分析

6.3.1 NP-NiPt的SEM及HRTEM表征

6.3.2 NP-NiPt的XRD、EDS及XPS分析

6.3.3 实验条件优化

6.3.4 不同修饰电极的电化学行为

6.3.5 DPV测定DA

6.3.6 重现性、稳定性及选择性研究

6.3.7 实际样品分析

6.4本章小结

7 结论

参考文献

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