金属有机骨架衍生的新颖纳米复合材料及其在葡萄糖传感器中的应用

摘要

金属有机骨架(MOFs)，一类具有高孔隙率、大比表面积和化学可调控性的新型复合功能材料。已经证明，其在多相催化，气体储存、分离，药物输送和化学传感中大有应用前途。此外，MOFs由金属离子与有机配体无限配位形成纳米腔，为小分子进入和逃离提供途径，让他们能够作为模板转化为功能纳米结构。本论文给出了三种基于金属有机骨架材料衍生的纳米复合材料构建的无酶葡萄糖传感器。采用扫描电子显微镜，热重量分析，X射线粉末衍射，和电化学技术等多种技术对材料进行表征。结果表明，在所尝试的几种新的材料构建方法中已成功合成出形貌非常新颖的纳米复合材料，将材料运用在葡萄糖检测时表现出较优越的催化活性。现将内容概述如下: 在第一部分中，采用水热法合成典型的HKUST-1。通过简单的一步热解法将HKUST-1转化成一种新型蚁穴状Cu@C纳米复合材料。由于该纳米材料提供足够大的比表面积和适当的孔隙适合电解质转移，且具有较好的导电性，使得基于其构建的传感器表现出对葡萄糖较高的催化活性，其线性范围和检测限分别为0.2-8mM和29.8μM。 在第二部分中，我们首先通过层层自组装技术合成了花球状GP/CoMOFs母体。通过对成长的过程的探究，我们发现它们首先在功能的石墨烯上形成结晶点，之后沿一个单一的方向生长，最后呈现出花球的构型。炭化后，花状的GP/CoMOFs中的有机配体分解，最终得到成松散的钴纳米球与石墨烯的复合材料，Co Nps/GP。利用该材料构建了新的无酶葡萄糖传感器有较宽的线性范围、检出限低，并有望应用于实际检测。 最后，我们选取泡沫镍作为一种有效的基底材料。基于双源法，在基底上生长出大规模的NiMOFs阵列。类似地，通过一步热解得到直接生长于泡沫镍上的多孔NiO纳米结构。通过这种方法，我们有效地规避繁琐的材料固载问题，并充分利用泡沫镍的优越的导电性和三维网络构建出一个简单的电极。基于该电极对葡萄糖检测的探究，证实了电极对葡萄糖良好的电催化活性。

目录

声明

摘要

第一章 绪言

1．1 金属-有机骨架的概述

1．1．1 金属-有机骨架

1．1．2 MOFs的相关应用

1．1．3 合成方法概述

1．2 基于金属有机骨架构建纳米结构

1．2．1 热解法制备MOFs衍生纳米结构

1．2．2 湿化学法制备MOFs衍生的纳米材料

1．3 电化学葡萄糖传感器

1．3．1 传感器技术

1．3．2 电化学葡萄糖传感

1．4 本论文的选题目的与意义

第二章 基于Cu-BTC制备Cu Nps@C蚁穴状纳米复合材料及其在葡萄糖传感器中的应用

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂与药品

2．2．2 HKUST-1的制备

2．2．3 蚁穴状Cu@C纳米复合材料的制备

2．2．3 Cu@C纳米复合材料修饰电极的制备

2．2．4 实验仪器

2．3 结果与讨论

2．3．1 HKUST-1的表征

2．3．2 HKUST-1衍生的蚁穴状Cu@C纳米复合材料的表征

2．3．3 Cu@C纳米复合材料修饰电极对葡萄糖的电催化氧化

2．4 结论

第三章 层层组装的花球状Gp／CoMOFs及其衍生的多孔Co Nps／Gp复合材料

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与药品

3．2．2 功能化石墨烯的制备

3．2．3 层层组装Gp／CoMOFs复合材料

3．2．4 Co Nps／Gp纳米结构的构建与修饰电极的制备

3．2．5 实验仪器

3．3 结果与讨论

3．3．1 Gp／CoMOFs材料表征

3．3．2 Gp／CoMOFs生长方式探究

3．3．3 Co／Gp复合材料表征

3．3．4 Co Nps／Gp复合材料对葡萄糖的电催化氧化

3．4 总结

第四章 基于“双源法”生长的NiMOFs及其衍生的NiO／foam Ni复合材料

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂与药品

4．2．2 Foam NiO电极的制备

4．2．3 氧化镍阵列-泡沫镍复合电极的制备

4．2．4 仪器设备

4．3 结果与讨论

4．3．1 Foam NiO电极的表征

4．3．2 NiMOFs／foam Ni与NiO Array／foam Ni

4．2．3 NiO Array／foam Ni对葡萄糖的电催化氧化

4．4 总结

第五章 论文总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果