碳基微-納復(fù)合材料的可控合成及其電化學(xué)傳感性能研究.pdf

1、隨著人們生活水平的日益提高，伴隨而來的公共健康問題受到了大眾廣泛的關(guān)注。因此，如何快速、精確地分析檢測自然環(huán)境中污染物和人體內(nèi)生物有機(jī)小分子對環(huán)境監(jiān)測和人體健康具有重要意義。現(xiàn)有的分析方法主要包括:紫外-可見分光光度法、色譜分析法、原子/分子吸收光譜、熒光分析法、化學(xué)發(fā)光法、拉曼光譜法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜、電感耦合等離子體質(zhì)譜以及高效液相色譜等。但是，其中大部分檢測方法都需要精密的儀器、復(fù)雜的測試程序和專業(yè)的樣品制備技術(shù)，這很大程

2、度上阻礙了它們的實際應(yīng)用。與上述方法相比，電化學(xué)分析方法具有操作方便、儀器簡單、快速靈敏、選擇性高等優(yōu)點，因此利用電化學(xué)分析方法對環(huán)境中的污染物和人體內(nèi)的生物有機(jī)小分子進(jìn)行檢測具有重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。
　　在構(gòu)建電化學(xué)傳感器的過程中，電極材料扮演著舉足輕重的角色。金屬氧化物或雙金屬層狀氫氧化物微納米材料因具有良好催化性能、強(qiáng)抗氧化能力、材料廉價易得等優(yōu)點而被廣泛地用作電極材料;但是，較差的導(dǎo)電性極大地限制了它們的電化學(xué)傳

3、感性能。為了解決這一難題，將金屬氧化物或雙金屬層狀氫氧化物微納米材料與具有優(yōu)良導(dǎo)電性的碳材料（如石墨烯、碳布、泡沫炭等）有效復(fù)合構(gòu)建電化學(xué)傳感器，不僅能夠增加電極材料的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，而且能夠避免在電化學(xué)反應(yīng)過程中電極材料的團(tuán)聚，可望提高其電化學(xué)傳感性能。
　　本論文以水體環(huán)境中常見的污染物和人體內(nèi)常見的生物小分子為檢測對象，成功地制備出鎂鐵層狀氫氧化物微球/石墨烯復(fù)合材料、三氧化二鐵納米棒陣列/泡沫炭復(fù)合材料、鎳鐵層狀氫氧化物納

4、米片陣列/碳布復(fù)合材料、以及鎳鐵層狀氫氧化物包覆四氧化三鈷納米線陣列/碳布復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，并基于它們設(shè)計了不同的電化學(xué)傳感器，分別用于水體中重金屬離子、亞硝酸根離子、多巴胺和尿酸的檢測，并對它們的檢測機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)探討。本文的主要內(nèi)容包括:
　　1、重金屬離子被廣泛地認(rèn)為對整個生態(tài)系統(tǒng)和人體健康具有極大的危害。因此，設(shè)計一種可靠和有效的電化學(xué)傳感器用于水體中重金屬離子的檢測具有十分重要的意義。本章中，通過一步水熱法成功地制備出花狀鎂

5、鐵層狀氫氧化物微球/石墨烯復(fù)合材料（MgFe-LDH/graphene）。基于石墨烯的良好導(dǎo)電性和較大比表面積以及鎂鐵層狀氫氧化物對重金屬離子超強(qiáng)的吸附能力，此復(fù)合材料所修飾的玻碳電極被用于水體中重金屬離子Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的同時檢測。研究結(jié)果表明，所設(shè)計的電化學(xué)傳感器對重金屬離子Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的檢測限分別為2.7nM和5.9nM，均低于世界衛(wèi)生組織所規(guī)定的飲用水中極限值。同時，所設(shè)計的電化學(xué)傳感器還具備較強(qiáng)的抗干擾能力，良

6、好的重現(xiàn)性和重復(fù)性。此外，此電化學(xué)傳感器可成功地用于實際水體中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的檢測，并獲得令人滿意的回收率。
　　2、亞硝酸根離子對生態(tài)安全和公共健康具有極大威脅。因此，迫切需要發(fā)展一種簡單、快速、低成本的電化學(xué)傳感器用于水體中亞硝酸根離子的檢測。本章中，通過一種簡單、廉價的策略成功制備出三維三氧化二鐵納米棒陣列/泡沫炭復(fù)合材料（α-Fe2O3NAs/CF）。其中，α-Fe2O3納米棒陣列具有豐富的電催化活性位點;同時，三

7、維結(jié)構(gòu)的泡沫炭不僅具有良好的導(dǎo)電性，還具有比較大的表面積，為電化學(xué)反應(yīng)過程中的電解質(zhì)和電荷轉(zhuǎn)移提供了一個良好的平臺。基于以上優(yōu)點，我們直接將所制備的α-Fe2O3NAs/CF復(fù)合材料作為工作電極用于水體中亞硝酸根離子的檢測。研究結(jié)果表明，本章所設(shè)計的電化學(xué)傳感器對亞硝酸根離子表現(xiàn)出快速的響應(yīng)時間(3s)，較寬的線性范圍（0.5μM-1000μM），較高的靈敏度（116.8μA·mM-1·cm-2）以及較低的檢測限（0.12μM），遠(yuǎn)低于

8、世界衛(wèi)生組織所允許的水體中亞硝酸根離子的最高濃度（63μM）。同時，所設(shè)計的電化學(xué)傳感器還具備較強(qiáng)的抗干擾能力、長期的穩(wěn)定性和良好的重現(xiàn)性。此外，此電化學(xué)傳感器還能成功地用于實際水體中亞硝酸酸根離子的檢測，并獲得令人滿意的回收率。
　　3、為了獲得更加穩(wěn)定的電化學(xué)傳感性能，在第二章的研究基礎(chǔ)之上，我們選擇商業(yè)碳布作為基底，通過一步水熱法將鎳鐵層狀氫氧化物原位地生長在碳布表面，從而獲得鎳鐵層狀氫氧化物納米片陣列/碳布復(fù)合材料(NiF

9、e-LDHNSAs/CC)。基于碳布的良好導(dǎo)電性和鎳鐵層狀氫氧化物納米片所具備的良好催化性能，此復(fù)合結(jié)構(gòu)被直接用作工作電極對水體中亞硝酸根離子進(jìn)行檢測。研究結(jié)果表明，本章所設(shè)計的電化學(xué)傳感器對亞硝酸根離子表現(xiàn)出快速的響應(yīng)時間(3s)，極高的靈敏度（803.6μA·mM-1·cm-2）和超低的檢測限(0.02μM)。同時，所設(shè)計的電化學(xué)傳感器還具備較強(qiáng)的抗干擾能力，長期的穩(wěn)定性和良好的重現(xiàn)性。尤為重要的是，此電化學(xué)傳感器可成功地用于實際水

10、體中亞硝酸酸根離子的檢測，并獲得令人滿意的回收率。上述研究結(jié)果表明，所設(shè)計的電化學(xué)傳感器具有一定實際應(yīng)用的潛力。
　　4、多巴胺(DA)和尿酸(UA)被認(rèn)為是參與生物體新陳代謝過程中重要的生物有機(jī)小分子。因此，設(shè)計一種靈敏、可靠的電化學(xué)傳感器用于DA和UA的檢測具有重要意義。本章中，通過水熱和碳化成功地將四氧化三鈷納米線原位地生長在碳布表面，然后通過電沉積法在四氧化三鈷納米線表面生長一層鎳鐵層狀氫氧化物，獲得鎳鐵層狀氫氧化物包覆四