纳米氧化钛/β-环糊精膜光电化学传感器的研究

论文摘要

光电化学型半导体传感器是一种利用半导体的光电特性来检测与光生电流或光生电压相关的待测物质浓度及生化过程参数的分析新技术。随着新型半导体功能材料及相关加工技术的不断涌现,光电化学型半导体传感器已在微型化、集成化、多点及多参数测量方面显现出优势,将纳米半导体材料应用于光电化学传感器领域的研究,有望在复杂体系中实现在线高灵敏、快速测定,在生物、医药、环境监测、食品等领域显示出更加广阔的应用前景。本研究将纳米材料技术与光电化学传感器结合在一起,主要做了以下三方面的工作:1、采用溶胶-凝胶法在金电极上逐层自组装了纳米TiO2/β-CD膜,利用石英晶体微天平现场技术（QCM）、电子能谱图扫描、电镜扫描、红外光谱等手段考察了纳米氧化钛与环糊精自组装过程,证明了β-CD羟基与TiO2表面羟基存在分子间缔合;对纳米TiO2与β-CD组装机理进行了推断,根据β-CD上伯羟基活性较高和TiO2表面吸附羟基的作用原理,提出了β-CD与TiO2组装膜的结构形式。2、以甲基橙为目标物,采用电化学体系在纳米TiO2/β-CD膜电极上进行光电催化降解反应研究,比较了复合薄膜在电催化、光催化、光电催化体系中光电催化降解效率;在光电催化体系中考察了电压、pH值、β-CD的掺入对光电催化降解效率的影响。实验结果表明:随着外加电压的增加,甲基橙的降解率在100min内从53.4%提高到91.8%,但是偏电压也不是越高越好,当外加电压达到一定值时,光生载流子已达到充分分离,形成饱和的光电流。因此,在光电流接近饱和状态时,继续增加电压对光电催化反应速率提高幅度不大;溶液的pH值对光电催化反应有较大的影响,酸性条件有助于光电催化降解有机物;由于β-CD的包合作用,改善了TiO2的表面特性,增加了包合物的客体与TiO2的相互作用,提高了TiO2对包合物中的有机物催化降解效率。3、制备了基于逐层自组装纳米TiO2/β-CD膜光电化学传感器,并将其用于水体化学需氧量（COD）的测定。实验证明纳米TiO2/β-CD膜电极比单纯的TiO2膜电极具有更好的光电催化作用,能提高水体有机物的降解率,使该传感器具有更高的灵敏度及更宽的线性范围。COD值在4.6～138.0mg·L-1浓度范围内与传感器的光电流感应信号成良好的线性关系。将该方法用于实际水样的测定,测定结果与重铬酸钾标准分析法有较好的一致性,且具有操作简单、响应快速、无二次污染等优点,具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米半导体材料的性质
• 2）概述'>1.3 纳米氧化钛（TiO₂）概述
• 1.3.1 纳米氧化钛的结构
• 1.3.2 纳米氧化钛的性质
• 1.3.3 纳米二氧化钛形貌
• 1.4 β-环糊精概述
• 1.4.1 β-环糊精的结构
• 1.4.2 β-环糊精的包合特性
• 1.5 自组装技术
• 1.6 光电催化反应概述
• 1.6.1 国内外光电催化研究现状
• 2光电催化原理'>1.6.2 TiO₂光电催化原理
• 1.6.3 β-环糊精掺杂的二氧化钛光催化活性
• 2/β-CD复合材料导电性能'>1.6.4 TiO₂/β-CD复合材料导电性能
• 1.7 光电化学型半导体传感器
• 1.7.1 光电化学型半导体传感器的分类
• 1.7.2 用于光电化学型传感器的半导体材料
• 1.7.3 光电化学型半导体传感器的研究趋势及应用前景
• 1.8 化学需氧量的测定现状
• 1.9 本课题的研究思路及目的
• 第二章 纳米氧化钛/β-环糊精层层自组装膜的制备与表征
• 2.1 概述
• 2.2 纳米氧化钛/β-环糊精自组装膜电极的制备与表征
• 2.2.1 试剂与仪器
• 2.2.2 金电极的预处理
• 2.2.3 逐层自组装过程的表征
• 2表面的吸附'>2.2.4 β-CD在TiO₂表面的吸附
• 2与β-CD组装机理'>2.2.5 纳米TiO₂与β-CD组装机理
• 2.3 本章小结
• 第三章 纳米氧化钛/β-环糊精LBL膜的光电催化性能研究
• 3.1 引言
• 2的光电催化原理'>3.2 TiO₂的光电催化原理
• 2/β-CD膜的光电化学性能测试'>3.3 纳米TiO₂/β-CD膜的光电化学性能测试
• 3.3.1 试剂与仪器
• 3.3.2 光电催化实验
• 3.3.3 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 纳米氧化钛/β-环糊精膜光电化学传感器在化学需氧量测定中的应用研究
• 4.1 水体化学需氧量检测的现状
• 2/β-CD膜光电化学传感器在化学需氧量测定中的应用研究'>4.2 纳米TiO₂/β-CD膜光电化学传感器在化学需氧量测定中的应用研究
• 4.2.1 试剂与仪器
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 结果与讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果