石墨烯纳米复合材料制备、表征及对H2O2电化学性质的研究

论文摘要

石墨烯（GNs）作为碳材料家族中新发现的一类物质，比石墨具有更高的比表面和导电率，对一些特定底物具有较高的电催化性能，引起了人们广泛的研究兴趣。纳米Pd（Pd-NPs）具有优良的化学稳定性、高的催化活性、导电性以及极强的抗腐蚀能力，被广泛的应用于氧化还原反应中检测物的分析。而纳米Fe2O3是一种类辣根过氧化氢酶的物质，能够对过氧化氢（H2O2）起到催化作用。藉此，本文制备三种不同类型的纳米复合材料，并对材料结构、特性及电极的组装过程、功能界面进行了表征，进而研究了H2O2在修饰电极上的电化学特性及催化机理。1、制备了氧化石墨烯，通过一步还原的方法合成了Pd-NPs/GNs纳米复合材料，粒径为5nm左右的纳米Pd均匀分散在GNs的表面或嵌入到GNs层之间，这不仅有利于GNs的分散，而且使其具有更大的比表面积和更好的层间导电特性。由Pd-NPs/GNs构建的修饰电极，明显地降低了反应过电位，增强了GNs层间电子传输速率。结果表明，H2O2在电极表面为扩散控制过程，电极反应为两电子两质子电化学反应过程，响应电流与H2O2浓度在1.0×10-9～1.0×10-7mol/L范围内呈现良好的线性关系（R2=0.9903），检测下限为2.0×10-10mol/L（S/N=3）。2、通过静电相互吸引作用，将带负电的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）-GNs、带正电的聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）和带负电的柠檬酸根包裹的Pd-NPs层层自组装而形成Pd-NPs/PDDA/PVP-GNs纳米复合材料，并利用此物质制备化学修饰电极。Pd-NPs/PDDA/PVP-GNs/GCE对H2O2具有较高的电催化活性，线性范围位于5.0×10-8～8.0×10-6mol/L之间（R2=0.9956），检测下限为2.0×10-8mol/L。该修饰电极选择性良好，稳定性较高，重现性好。3、将纳米Fe2O3、离子液体（IL）和GNs利用组合法制得Fe2O3-IL-GNs并修饰玻碳电极，应用到H2O2的检测中。该方法有以下三个优点：（1）纳米Fe2O3是一种类辣根过氧化氢酶的物质，对H2O2有催化作用；（2）GNs能够有效的固定和负载纳米Fe2O3，同时GNs本身具有纳米催化特性，亦可对H2O2起电催化作用；（3）室温IL分布于纳米复合材料的界面，可进一步促进电荷的传递速率，极大地增强电流响应，提高检测灵敏度。故三者的协同作用，使电极在较宽范围内（8.0×10-6～1.33×10-3mol/L），呈现对H2O2电催化特性（R2=0.9964），检测限为6.0×10-7mol/L （S/N=3），其电极反应为两电子一质子的电化学过程。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 化学修饰电极
• 1.1.1 化学修饰电极的制备方法
• 1.1.2 化学修饰电极在电化学分析中的应用
• 1.2 纳米材料
• 1.2.1 纳米材料的特性
• 1.2.2 纳米材料的制备
• 1.3 纳米复合材料修饰电极及其在 H2O2检测中的应用
• 1.3.1 纳米复合材料的定义及特性
• 1.3.2 纳米复合材料修饰电极
• 1.3.3 纳米复合材料修饰电极在 H2O2检测中的应用
• 1.3.4 石墨烯的结构与特性
• 1.4 本论文的研究目的和研究内容
• 1.4.1 本论文的选题依据与研究目的
• 1.4.2 本论文的研究内容
• 第二章 基于纳米复合材料 PD-NPS/GNS 修饰电极对过氧化氢电化学性质的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要试剂与仪器
• 2.2.2 Pd-NPs/GNs 修饰材料及修饰电极的制备
• 2.2.3 实验方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 Pd-NPs/GNs 纳米复合材料的表征
• 2.3.2 Pd-NPs/GNs 修饰电极的循环伏安图和交流阻抗图
• 2.3.3 pH 值对 Pd-NPs/GNs 修饰电极的影响
• 2.3.4 Pd-NPs/GNs 修饰电极的计时电流响应
• 2.3.5 Pd-NPs/GNs 修饰电极的稳定性与重现性
• 2.3.6 干扰实验
• 2.4 小结
• 第三章 基于纳米复合材料 PD-NPS/PDDA/PVP-GNS 修饰电极对过氧化氢电化学性质的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要试剂与仪器
• 3.2.2 Pd-NPs/PDDA/PVP-GNs 修饰材料的制备
• 3.2.3 实验方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 Pd-NPs/PDDA/PVP-GNs 纳米复合材料材料的表征
• 3.3.2 Pd-NPs/PDDA/PVP-GNs 修饰电极的电化学特性
• 3.3.3 Pd-NPs/PDDA/PVP-GNs 修饰电极的响应特性
• 3.3.4 Pd-NPs/PDDA/PVP-GNs 修饰电极的稳定性、选择性和重现性
• 3.3.5 干扰试验
• 3.4 小结
• 2O₃-IL-GNS 修饰电极对过氧化氢电化学性质的研究'>第四章 基于纳米复合材料 FE₂O₃-IL-GNS 修饰电极对过氧化氢电化学性质的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要试剂与仪器
• 2O₃-IL-GNs 修饰材料及修饰电极的制备'>4.2.2 Fe₂O₃-IL-GNs 修饰材料及修饰电极的制备
• 4.2.3 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 2O₃的表征'>4.3.1 石墨烯和纳米 Fe₂O₃的表征
• 2O₃-IL-GNs/GCE 修饰电极的循环伏安图'>4.3.2 Fe₂O₃-IL-GNs/GCE 修饰电极的循环伏安图
• 4.3.3 pH 值对化学修饰电极的影响
• 2O₃-IL-GNs/GCE 修饰电极对 H₂O₂的响应'>4.3.4 Fe₂O₃-IL-GNs/GCE 修饰电极对 H₂O₂的响应
• 2O₃-IL-GNs/GCE 修饰电极的稳定性、选择性和重现性'>4.3.5 Fe₂O₃-IL-GNs/GCE 修饰电极的稳定性、选择性和重现性
• 4.3.6 干扰实验
• 4.4 小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 硕士学位期间发表的论文
• 个人简历
• 致谢