水分散性WS2納米片層的制備以及在生物檢測(cè)和能源方面的應(yīng)用.pdf

1、二硫化鎢（WS2）是一種由元素周期表中第六周期的VIB族的元素鎢（W）和元素周期表中第三周期VIA族的元素硫（S）組成的化合物，和二硫化鉬（MoS2）、二硒化鉬（MoSe2）、二硒化鎢（WSe2）類(lèi)似，是一種類(lèi)石墨烯的層狀過(guò)渡金屬硫化物，它們具有多層夾心結(jié)構(gòu)，其層間為較弱的范德華力，這種特性使得它們易于被剝離成橫向直徑幾百納米，縱向長(zhǎng)度幾納米到十幾納米的納米級(jí)別的片層，這些片層具有類(lèi)似于相應(yīng)的石墨烯納米片層的功能和特性，特別是在生物吸附

2、性，析氫反應(yīng)催化活性等方面有較為良好的性能，依據(jù)這些特點(diǎn)，二硫化鎢納米片層可以在生物小分子光化學(xué)檢測(cè)、鉑類(lèi)析氫催化劑替代物方面有較好的應(yīng)用。
　　由于在現(xiàn)當(dāng)今的科研、生活、發(fā)展中，生物檢測(cè)、能源科學(xué)都有著舉足輕重的地位，本論文立足實(shí)踐，著重研究二硫化鎢納米片層的制備，特別是能夠分散在水中的納米片層的制備，并且以制備出來(lái)的水分散性二硫化鎢納米片層進(jìn)行了生物檢測(cè)（三磷酸腺苷（ATP）檢測(cè)）和能源科學(xué)（析氫反應(yīng)）的探究、討論和科研，希望

3、能為國(guó)家、世界的科學(xué)事業(yè)發(fā)展，熱點(diǎn)問(wèn)題的解決盡一份自己的努力。本論文的主要內(nèi)容如下：
　　1、材料的合成和探究
　　在材料的合成和表征部分，本論文著重以二硫化鎢為原材料，使用超聲降解法，制備了可以分散在二甲亞砜（DMSO）、二甲基甲酰胺（DMF）、正丁醇、丙醇、異丙醇、乙醇-水混合溶液等有機(jī)溶劑中的二硫化鎢納米片層，更進(jìn)一步的，也使用了超聲降解法制備了用聚乙二醇（PEG）、聚丙烯酸（PAA）、膽酸鈉等油水兩親物質(zhì)修飾的可以分

4、散在水中的二硫化鎢納米片層并進(jìn)行了掃面電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）、X射線光電子能譜（XPS）、X射線衍射譜（XRD）、紫外可見(jiàn)分光光譜（UV-vis）等材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)方面的表征，以確定成功的合成了結(jié)構(gòu)完整，具有相應(yīng)功能的二硫化鎢納米片層。同時(shí)也進(jìn)行了用本文所述的合成的水分散性二硫化鎢納米片層和傳統(tǒng)方法合成的在上述大表面能的有機(jī)溶劑中分散的二硫化鎢納米片層的對(duì)比，彰顯出具有同樣的性能、功能、結(jié)構(gòu)

5、的二硫化鎢納米片層，可分散于水中而非有機(jī)溶劑中的二硫化鎢納米片層更具有實(shí)用性，在生物檢測(cè)中，可以防止分散于有機(jī)溶劑的二硫化鎢納米片層的生物毒性，而在析氫反應(yīng)中也可以排除有機(jī)溶劑對(duì)反應(yīng)過(guò)程的干擾，表明本文合成的二硫化鎢納米片層具備很強(qiáng)的潛在應(yīng)用性。
　　2、建立水分散性二硫化鎢納米片層為平臺(tái)進(jìn)行ATP檢測(cè)的傳感器
　　二硫化鎢納米片層由于其較大的比表面積，會(huì)對(duì)生物小分子（如單鏈DNA、RNA等）產(chǎn)生較強(qiáng)的范德華吸附能力，并且由

6、于其片層表面聚集著較多的負(fù)電荷，會(huì)對(duì)其它帶有負(fù)電荷的生物小分子（如雙鏈DNA、DNA-aptamer聚合體等）產(chǎn)生排斥，這種排斥力大于片層對(duì)生物小分子的吸附力，使得其吸附有了選擇性，加之其擁有較好的電子傳遞能力，被吸附上去的生物小分子如果帶有熒光基團(tuán)，則會(huì)發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移，使得原來(lái)的熒光基團(tuán)發(fā)生熒光淬滅，利用熒光儀進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)比有無(wú)目標(biāo)物的熒光差異，從而可以實(shí)現(xiàn)一種帶熒光標(biāo)記的生物小分子檢測(cè)。
　　本論文以上述所合成的PEG修

7、飾的水分散性二硫化鎢納米片層（由于既可以較均勻的分散在水中而不容易聚集、沉淀，又不會(huì)產(chǎn)生有機(jī)溶劑會(huì)產(chǎn)生的生物毒性，可以實(shí)現(xiàn) ATP的檢測(cè)）作為檢測(cè)ATP的平臺(tái)。具體檢測(cè)過(guò)程是：先在ATP適配體（aptamer）（一段單鏈DNA序列）的3端修飾FAM或者FERT熒光基團(tuán)，然后引入ATP在適宜的條件下進(jìn)行反應(yīng)，得到DNA-ATP聚合體，此時(shí)加入二硫化鎢納米片層，便不能吸附這些聚合體，其對(duì)照試驗(yàn)可以是不加ATP的樣本，由于二硫化鎢納米片層會(huì)吸

8、附單鏈DNA，所以熒光會(huì)淬滅，與存在ATP的樣本相比較，即可達(dá)到以熒光強(qiáng)度檢測(cè)ATP的目的。本論文還進(jìn)一步進(jìn)行了利用核酸外切酶III（exonuc lease III）來(lái)放大其檢測(cè)范圍和降低其檢測(cè)下限的實(shí)驗(yàn)探究。
　　本論文進(jìn)行水分散性二硫化鎢納米片層為平臺(tái)進(jìn)行ATP檢測(cè)的傳感器的探究結(jié)果證明了這種納米片層符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，達(dá)到了生物檢測(cè)的要求，為ATP等生物小分子的檢測(cè)開(kāi)拓了新的視野。
　　3、水分散性二硫化鎢納米片層用

9、作析氫催化劑進(jìn)行析氫反應(yīng)
　　二硫化鎢納米片層由于其S-W-S的三層夾心結(jié)構(gòu)會(huì)使得其中的W的金屬邊緣（metaledge）某種程度的露出來(lái)，本來(lái)就擁有一定的析氫性能，再加上S原子有助于分散W原子的電子云，使得二硫化鎢納米片層的電子流通性大大的提高，進(jìn)一步促進(jìn)了氫氣在其邊緣生成，并且可以有效的降低氫氣析出的過(guò)電位，從而達(dá)到了促進(jìn)析氫反應(yīng)的要求。
　　本論文以上述所合成的PEG修飾的水分散性二硫化鎢納米片層（在析氫反應(yīng)的探究過(guò)程

10、中使用的電解質(zhì)是硫酸溶液，由于PEG修飾的水分散性二硫化鎢納米片層可以穩(wěn)定的存在在水中，所以不會(huì)在水中團(tuán)聚以及和硫酸溶液發(fā)生反應(yīng)，影響析氫反應(yīng)的效果，并且由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所使用的電極是玻碳電極（glassy carbon electrode），本論文中的水分散性二硫化鎢納米片層不會(huì)對(duì)電極表面造成不可逆的損傷，保證了實(shí)驗(yàn)的可持續(xù)性。）作為析氫反應(yīng)的催化劑，進(jìn)行了析氫的效果探究，其探究過(guò)程是：將上述的二硫化鎢納米片層分散液使用滴涂法滴在磨好的

11、玻碳電極表面，然后使用全氟磺酸溶液（Nafion溶液）作為保護(hù)劑，防止在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中納米片層的脫落，然后使用三電極體系-工作電極：修飾了水分散性二硫化鎢納米片層的玻碳電極、參比電極：飽和甘汞電極、對(duì)電極：鉑絲電極進(jìn)行極化曲線、tafel曲線、阻抗圖譜等電化學(xué)方式的檢測(cè)，將結(jié)果與把鉑絲做工作電極的體系進(jìn)行比較，從而反映其析氫性能。
　　本論文關(guān)于探究水分散性二硫化鎢納米片層用作析氫催化劑進(jìn)行析氫反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：該二硫化鎢納米片層是一