PAMAM复合纳米材料修饰电极的制备及其应用研究

论文摘要

电化学传感器以电信号为检测基础,由于其反应速度快、灵敏度高、稳定性好、能够定量检测、易于微型化等优势,在许多领域如生命科学、国防、化学测量等方面都得到广泛的应用,一直备受人们青睐。纳米材料被誉为“21世纪最有前途的材料”,越来越受到人们的关注,由于其本身具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应,展现出众多优异特性,例如,比表面积大、表面反应活性高、催化效率高、吸附能力强等,因而具有巨大的研究潜力和应用前景。其中贵金属纳米粒子在催化领域有着广泛的应用,而电催化氧化还原反应一直为化学家瞩目的研究领域,将贵金属纳米粒子引入修饰电极实现对某些物质的快速检测大有可为;树状大分子也是一种研究很广的纳米材料,它具有高度规则的球状结构,外围带有大量表面官能团,内部具有空腔,在基因载体、纳米复合材料、催化剂、膜材料等多方面已显示出广阔的应用前景。尤其作为贵金属纳米材料模板,它使纳米粒子不易团聚,颗粒小而均匀,且不影响贵金属纳米粒子催化活性,成为人们研究最多的纳米颗粒之一;碳纳米管具有表面积大,传导率高,化学稳定性好等优点,它作为加强相和导电相,在纳米复合材料领域有巨大的应用潜力,另外,它还具有催化性能,表面原子活性高,易与周围其他物质发生电子传递作用,在电催化和电分析领域中具有广阔前景。本论文的工作致力于基于PAMAM的贵金属纳米粒子的制备及其在修饰电极上的应用研究。主要包括两个方面,（1）结合PAMAM树形分子,采用电沉积法,化学还原等方法研究制备出颗粒均匀,稳定性好的贵金属纳米粒子与复合纳米粒子;（2）将所制备的纳米粒子应用于电化学传感器,制备可直接检测某些物质的修饰电极。本论文新意在于综合应用贵金属纳米粒子,PAMAM,碳纳米管等纳米材料,报道了一种简便,响应迅速,稳定性好,成本较低的检测方法,以实现对双氧水以及环境中的某些有毒物质,如甲醛,硫酸肼等的检测。本论文主要内容分为以下几个部分:一,Pd纳米粒子修饰于金电极及其对双氧水的催化还原研制了在PAMAM修饰电极上电沉积制备Pd纳米粒子,并以此为工作电极,实现对双氧水的检测。通过自组装,在金电极表面形成单分子膜,通过共价键和将PAMAM纳米颗粒固定于金电极表面,再利用静电吸附将Pd离子修饰到电极上,最后用电沉积法在电极表面形成一层Pd纳米粒子。本论文通过交流阻抗（EIS）、X-射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）等方法对修饰电极进行表征。用循环伏安法（CV）和微分脉冲伏安法（DPV）等电化学方法研究并比较了钯纳米粒子在修饰电极上对双氧水的催化还原作用。实验证明共价结合制得的修饰电极稳定不易脱落,对双氧水有较好的催化还原作用,响应速度快,信号好。该方法具有快速和操作简便等优点,在临床医学及某些环境检测中具有一定的应用价值。二,Pd-PAMAM复合纳米粒子的制备及其修饰电极对甲醛的催化氧化树状结构的PAMAM是一种良好的稳定剂和模板,可与钯离子通过共价作用制得Pd-PAMAM复合纳米粒子。本论文以PdCl2为原料,硼氢化钠为还原剂,PAMAM树形分子为模板兼稳定剂,制备Pd-PAMAM复合纳米粒子,并研究了PdCl42-/PAMAM摩尔比、溶液的pH值、加入还原剂NaBH4量、反应时间等因素对所制得复合纳米粒子的影响。实验发现当PdCl42-/PAMAM摩尔比为40:1,控制pH值为3,搅拌络合1h,加入NaBH4与溶液中PdCl42-摩尔比为20:1时,成功制备出粒径在4-5nm左右,分散性良好的Pd-PAMAM复合纳米粒子。并将所制得的Pd-PAMAM复合纳米粒子修饰到玻碳电极和金电极表面,发现其对甲醛有较好的催化氧化作用。三,Pd-PAMAM-MWNTs/GC修饰电极的制备及其催化性能的研究在上一步工作的基础上,本实验引入羧基化的MWNTs,利用MWNTs的羧基和PdCl42--PAMAM纳米粒子外围的胺基共价键和,用硼氰化钠还原,再将其修饰于玻碳电极表面,制得Pd-PAMAM-MWNTs/GC修饰电极,大大提高了修饰电极的灵敏度,稳定性,增强了响应信号。采用循环伏安法,TEM,XRD等手段对修饰过程进行表征,并对所制得的修饰电极的催化性能进行了研究,它对硫酸联胺有良好的催化氧化作用,在4×10-4M到1.6×10-3M浓度范围内,呈现良好的线性,线性相关系数为0.9988,最低检测限为2.4×10-4M。同时,该电极还对过氧化氢有很好的催化还原作用。该检测方法实验过程简单,结果令人满意。四,树形分子模板法制备AgI纳米簇树形分子是很好的纳米粒子模板,本论文采用以均苯三甲酸为内核的树形分子（DT）模板法,原位制备AgI纳米簇,得到AgI/DT纳米复合材料。研究了AgI纳米簇生成过程中的各种影响因素,如树形分子端基、Ag+与PAMAM摩尔比、反应时间等,并用紫外-可见光谱、荧光光谱、透射电镜等对所制备的纳米簇进行表征。实验发现,由于DT4.5树形分子的内膜板作用,以DT4.5为模板较以DT4为模板制备的AgI纳米簇粒径小,且在中性条件下,DT4.5本身有较强的荧光,当与银离子络合后,其荧光强度明显降低,而生成AgI/DT4.5后,荧光强度进一步降低,同时出现由于AgI纳米簇表面电荷转移所产生的新的荧光峰。当Ag+与树形分子摩尔比为30∶1时所制得的AgI纳米簇的粒径小,分布均匀,稳定性好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 电化学传感器
• 1.1.1 电化学传感器简介
• 1.1.2 电化学传感器的种类
• 1.2 树状大分子
• 1.2.1 树状大分子的发展历史
• 1.2.2 聚酰胺胺（PAMAM）的合成
• 1.2.3 聚酰胺胺的应用领域
• 1.3 纳米材料修饰电极
• 1.3.1 纳米材料的发展过程
• 1.3.2 纳米材料的性质
• 1.3.3 纳米材料修饰电极的特性
• 1.3.4 纳米材料修饰电极的制备方法
• 1.3.5 纳米材料修饰电极的表征
• 1.3.6 纳米材料修饰电极的应用
• 1.4 本论文的目的和意义
• 第二章 Pd纳米粒子修饰于金电极及其对双氧水的催化还原
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 仪器与试剂
• 2.2.2 修饰电极的制备
• 2.2.3 电化学交流阻抗（EIS）
• 2.2.4 X—射线衍射实验（XRD）
• 2.2.5 透射电子显微镜实验（TEM）
• 2.2.6 修饰电极对双氧水的催化还原
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 修饰电极的制备及表征
• 2.3.1.1 修饰电极的交流阻抗表征（EIS）
• 2.3.1.2 计时电流法表征表征
• 2.3.1.3 X—射线衍射实验表征（XRD）
• 2.3.1.4 透射电子显微镜表征（TEM）
• 2O₂的催化还原作用'>2.3.2 修饰电极对H₂O₂的催化还原作用
• 2O₂的催化还原作用'>2.3.2.1 钯纳米粒子对H₂O₂的催化还原作用
• 2O₂的催化还原作用'>2.3.2.2 Pd/PAMAM修饰电极对H₂O₂的催化还原作用
• 2.3.2.3 洗涤时间对修饰电极的影响
• 2.4 结论
• 第三章 Pd-PAMAM 复合纳米粒子的制备及其修饰电极对甲醛的催化氧化
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 仪器与试剂
• 3.2.2 Pd-PAMAM 复合纳米粒子的制备
• 3.2.3 修饰电极的制备
• 3.2.3.1 修饰于玻碳电极（Pd-PAMAM/GC）
• 3.2.3.2 金电极上多层修饰（nPd-PAMAM/Au）
• 3.2.4 修饰电极对甲醛的电催化氧化
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 Pd-PAMAM 复合纳米粒子制备条件选择与表征
• 4^2-溶液的紫外检测'>3.3.1.1 对PdCl₄^2-溶液的紫外检测
• 4^2-/PAMAM摩尔比的影响'>3.3.1.2 PdCl₄^2-/PAMAM摩尔比的影响
• 3.3.1.3 pH 值的影响
• 3.3.1.4 还原
• 3.3.1.5 反应时间的影响
• 3.3.1.6 Pd-PAMAM 复合纳米粒子的TEM 检测
• 3.3.2 复合纳米粒子的稳定性
• 3.3.3 Pd-PAMAM 复合纳米粒子用于电极修饰及其对甲醛的催化氧化作用
• 3.3.3.1 Pd-PAMAM/GC 修饰电极
• 3.3.3.2 Pd-PAMAM/Au 多层修饰电极
• 3.4 结论
• 第四章 Pd-PAMAM-MWNTs/GC 修饰电极的制备及其催化性能的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 仪器与试剂
• 4.2.2 Pd-PAMAM 复合纳米粒子的制备
• 4.2.3 碳纳米管的预处理
• 4.2.4 修饰电极的制备
• 4.2.5 修饰电极的催化性能研究
• 4.2.5.1 修饰电极对硫酸联胺的催化氧化
• 4.2.5.2 修饰电极对双氧水的催化还原
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 碳纳米管的羧基化
• 4.3.2 修饰电极的制备及表征
• 4.3.2.1 玻碳电极表面修饰碳纳米管
• 4.3.2.2 Pd-PAMAM-MWNTs 的透射电子显微镜（TEM）分析
• 4.3.2.3 Pd-PAMAM-MWNTs 的X 射线衍射（XRD）分析
• 4.3.3 Pd-PAMAM-MWNTs/GC 修饰电极催化性能的研究
• 4.3.3.1 Pd-PAMAM-MWNTs/GC 修饰电极对硫酸联胺的催化氧化
• 4.3.3.2 Pd-PAMAM-MWNTs/GC 修饰电极对双氧水的催化还原
• 4.4 结论
• 第五章 以均苯三甲酸为内核的树形分子为模板制备 AgI 纳米簇
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 仪器与试剂
• 5.2.2 AgI 纳米簇的制备
• 5.2.3 表征
• 5.2 结果和讨论
• 5.2.1 DT 树形分子不同端基的影响
• + /DT4.5 摩尔比的影响'>5.2.2 Ag⁺ /DT4.5 摩尔比的影响
• 5.2.3 用荧光光度仪和紫外-可见光度仪表征反应过程
• 5.3 结论
• 参考文献
• 致谢
• 论文发表情况