水分散性WS2納米片層的制備以及在生物檢測和能源方面的應(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）類似，是一種類石墨烯的層狀過渡金屬硫化物，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，縱向長度幾納米到十幾納米的納米級別的片層，這些片層具有類似于相應(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、鉑類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、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，并且以制備出來的水分散性二硫化鎢納米片層進(jìn)行了生物檢測（三磷酸腺苷（ATP）檢測）和能源科學(xué)（析氫反應(yīng)）的探究、討論和科研，希望

3、能為國家、世界的科學(xué)事業(yè)發(fā)展，熱點(diǎn)問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)溶劑對反應(yīng)過程的干擾，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進(jìn)行ATP檢測的傳感器
　　二硫化鎢納米片層由于其較大的比表面積，會對生物小分子（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，會對其它帶有負(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)，則會發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移，使得原來的熒光基團(tuán)發(fā)生熒光淬滅，利用熒光儀進(jìn)行檢測和對比有無目標(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。
　　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，又不會產(chǎn)生有機(jī)溶劑會產(chǎn)生的生物毒性，可以實(shí)現(xiàn) ATP的檢測）作為檢測ATP的平臺。具體檢測過程是：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，其對照試驗(yàn)可以是不加ATP的樣本，由于二硫化鎢納米片層會吸

8、附單鏈DNA，所以熒光會淬滅，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）來放大其檢測范圍和降低其檢測下限的實(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進(jìn)行ATP檢測的傳感器的探究結(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)到了生物檢測的要求，為ATP等生物小分子的檢測開拓了新的視野。
　　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)會使得其中的W的金屬邊緣（metaledge）某種程度的露出來，本來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對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，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