碳納米管不同取向和層數(shù)電傳感性能差異研究.pdf

1、碳納米管(CNTs)自從被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，就在科學(xué)界的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。作為納米材料中的佼佼者，CNTs所具有的優(yōu)異的傳熱性能、導(dǎo)電性能、力學(xué)性能、光學(xué)性能和吸附儲(chǔ)氫性能等等特點(diǎn)，都吸引著無(wú)數(shù)的研究熱情。尤其是在電化學(xué)領(lǐng)域，CNTs寬的電位窗口、大的比表面積以及優(yōu)良的導(dǎo)電性使得人們圍繞其設(shè)計(jì)制作出了大量的電化學(xué)傳感器、超級(jí)電容器等。近年來(lái)，隨著新型陣列碳納米管電極的提出，CNTs這種準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)材料的各向異性逐漸受到關(guān)注，其排列取

2、向與其導(dǎo)電能力的關(guān)系也值得進(jìn)一步探討。作為研究這一問(wèn)題的最佳模型，陣列碳納米管的制作則顯得尤為重要。Langmuir-Blodgett(LB)膜是一種具有超薄、均勻、厚度及分子層數(shù)可控、高度的各向異性、對(duì)襯底無(wú)損傷等特點(diǎn)的組裝分子薄膜技術(shù)，并且已經(jīng)成為電極表面修飾的一種常用手段，LB膜修飾的電極薄膜具有排列緊密有序，活性中心密度大，電化學(xué)響應(yīng)好，電子或物質(zhì)的傳輸容易等特點(diǎn)，因此，本文基于LB膜的技術(shù)，對(duì)CNTs的成膜性能及其薄膜的電化學(xué)

3、性能做了以下幾個(gè)方面的研究工作:
　　(1)將羧基化單壁碳納米管(SWCNTs)通過(guò)兩種不同的方式修飾在玻碳電極(GCE)表面:一種是LB膜技術(shù)修飾的SWCNTs-LB/GCE電極，另一種是直接滴涂的SWCNTs/GCE電極。研究了羧基功能化的SWCNTs在LB膜成膜過(guò)程中的等溫表面壓-表面積曲線(xiàn)(π-A曲線(xiàn))等特性，同時(shí)采用循環(huán)伏安法、電化學(xué)阻抗能譜法和計(jì)時(shí)電量法對(duì)以上兩種電極中SWCNTs的電子傳導(dǎo)速度做了研究。在SWCNTs

4、/GCE電極表面，SWCNTs隨機(jī)無(wú)序排列，意味著有些SWCNTs是與電極表面垂直的，有些是與電極表面平行的，或者是與電極表面呈不同角度排列的。而在SWCNTs-LB/GCE電極表面，SWCNTs與電極表面完全平行排列，即如地毯一般平鋪在電極表面。結(jié)果表明電子在SWCNTs/GCE表面上的轉(zhuǎn)移速率比在SWCNTs-LB/GCE上快得多，也就是說(shuō)電子在平行于管體縱向傳導(dǎo)上更有優(yōu)勢(shì)，并由此可以推測(cè)，如果將SWCNTs完全垂直的排列在電極表面

5、制備出電化學(xué)生物傳感器，其電子傳導(dǎo)速率將大大增加。
　　(2)將羧基化SWCNTs和羧基化多壁碳納米管(MWCNTs)均通過(guò)LB膜技術(shù)修飾在電極表面，通過(guò)研究MWCNTs的π-A曲線(xiàn)了解了其成膜過(guò)程與SWCNTs之間的差異，并通過(guò)循環(huán)伏安法、電化學(xué)阻抗能譜法和計(jì)時(shí)電量法對(duì)不同碳納米管修飾電極電化學(xué)特性做了比較，進(jìn)一步證明了由于電子在碳納米管中的傳導(dǎo)方式更趨向與沿著管體的縱向方向傳導(dǎo)，當(dāng)具有更多層數(shù)的MWCNTs平鋪在電極表面上時(shí)，

6、其垂直于管體橫向?qū)щ姷臋C(jī)制影響了MWCNTs的優(yōu)良導(dǎo)電性，阻礙了電子的傳導(dǎo)。相比于MWCNTs，SWCNTs具有相對(duì)較高電荷傳導(dǎo)速率、較小的阻抗、較大的電極有效面積和較大的電容，雖然目前來(lái)看SWCNTs的造價(jià)相對(duì)昂貴，但可以預(yù)知的是SWCNTs在生物電容傳感器的研究領(lǐng)域有著更加巨大的潛力。
　　(3)利用LB膜技術(shù)層數(shù)厚度可控的特點(diǎn)，組裝了多層SWCNTs-LB膜和多層MWCNTs-LB膜修飾GCE，通過(guò)循環(huán)伏安法、電化學(xué)阻抗能譜

7、法、計(jì)時(shí)電量法對(duì)其電活性和電容值的變化比較做了研究和相應(yīng)的計(jì)算。結(jié)果顯示，隨著CNTs-LB膜層數(shù)的增加，不論是SWCNTs-LB膜修飾電極還是MWCNTs-LB膜修飾電極，其電活性均得到了提高:對(duì)Fe2+/Fe3+的峰電流增大;電極溶液接觸面電荷阻抗值減小;電極有效面積增大;電容充電量也響應(yīng)增大。這表明在增加了CNTs在電極表面的修飾量后，其優(yōu)異的電化學(xué)性能得到了進(jìn)一步提升。同時(shí)在多層膜中，SWCNTs在電容值上也要高于MWCNTs。