納米材料的合成及其在電化學傳感和鋰離子電池中的應用.pdf

1、近年來,對于在能源安全、環(huán)境、生物安全等領(lǐng)域出現(xiàn)的日益突出的問題,人們一直在致力于解決這些嚴峻的挑戰(zhàn),并研究開發(fā)新的技術(shù)與工藝用于能源的存儲與轉(zhuǎn)換、環(huán)境檢測、高性能傳感器等方面。由于納米材料的尺寸在100 nm范圍內(nèi),具有很高的比表面積和特殊的形貌結(jié)構(gòu),因此具有獨特的物理和化學性質(zhì)。隨著對高性能的設(shè)備以及高效率技術(shù)的不斷需求,具有先進功能的納米材料受到了越來越多的關(guān)注。納米技術(shù)以及納米材料的進步為設(shè)計和發(fā)展電子器件、傳感器、鋰離子電池、

2、環(huán)境檢測等領(lǐng)域提供了新的方向。在本論文中,我們采用半導體摻雜、材料復合、控制形貌結(jié)構(gòu)等途徑對納米材料進行改性和優(yōu)化,從而實現(xiàn)了納米材料的電化學傳感性能和鋰離子電池性能的提高。本論文主要開展了以下幾方面的研究工作:
　　 (1)鑒于摻雜半導體納米材料的高電學性能以及較好的生物相容性,針對電化學生物傳感器中酶生物分子的直接電子轉(zhuǎn)移困難等問題,在第2章中我們采用熱蒸發(fā)的方法合成了Sb摻雜SnO2納米線,并以Sb摻雜SnO2納米線為載體

3、固定辣根過氧化物酶,構(gòu)造了無試劑無媒介體的過氧化氫生物傳感器。與無摻雜的SnO2納米線相比,Sb摻雜SnO2納米線具有良好的酶電子轉(zhuǎn)移性能和更高的H2O2催化活性。該傳感器具有高的靈敏度,寬的線性范圍和長時間的穩(wěn)定性等良好性能。這些可歸因于由Sb摻雜引起載流子濃度的增強和Sb摻雜SnO2納米線提供的生物相容的微環(huán)境。這項研究表明,Sb摻雜SnO2納米線為無媒介的生物傳感器的構(gòu)建提供了很有應用潛力的平臺,并為納米科學和納米器件的研究提出了

4、新的見解。
　　 (2)對于電化學酶傳感器而言,關(guān)鍵問題是酶分子的有效固定和酶的氧化還原中心與電極表面之間的直接電子轉(zhuǎn)移?；谟袡C物模板的靜電層層自組裝技術(shù)(LbL)可以通過相對簡單的制備過程實現(xiàn)對膜層厚度、結(jié)構(gòu)和組成的調(diào)節(jié)和控制,被廣泛地應用于制備各種帶有正負電荷的功能性生物復合薄膜。但是采用LBL技術(shù)固定酶蛋白存在一個主要的問題需要解決:預處理膜和基底之間的作用力比較弱并且穩(wěn)定性比較差。在長時間的制備過程中經(jīng)常是不可控的。因

5、此,為了提高預處理薄膜的穩(wěn)定性,界面之間的共價鍵結(jié)合是十分必要的。在第3章中,我們通過使用一種簡單而靈活的電接枝方法將聚(N-巰基丙烯酰胺)固定在玻碳電極表面,為Au納米顆粒和辣根過氧化物酶的穩(wěn)定附著提供了固定牢固的底層薄膜?；诠潭ㄓ贏u/聚(N-巰基丙烯酰胺)復合薄膜的辣根過氧化物酶的生物傳感器對于H2O2的還原具有良好的電催化活性和長時間的穩(wěn)定性,這歸因于電接枝薄膜的穩(wěn)定性和Au納米顆粒的生物相容性。我們的研究結(jié)果表明電接枝和Au

6、納米顆粒的組合為生物分子的固定和分析氧化還原酶的傳感應用提供了一個充滿前景的平臺。
　　 (3)酶基的生物傳感器普遍存在穩(wěn)定性較差、酶的成本較高以及構(gòu)建過程復雜等缺點。并且酶的活性很容易受到溫度、溶液pH值、化學毒性分子的影響從而導致酶的失活。因此,為了解決這些問題,非酶生物傳感器的研究受到了廣泛的關(guān)注。在第4章中,我們采用簡單的原位沉積的方法制備了基于MnO2/石墨氧化物復合物的非酶生物傳感器,用于檢測過氧化氫。基于此復合物制

7、備的生物傳感器對過氧化氫具有良好的電催化活性。該方法具有工作電位低、靈敏度高、檢測限低和穩(wěn)定性高的優(yōu)點。這些優(yōu)良的性能主要歸因于石墨氧化物為MnO2納米顆粒的沉積提供了極大的表面積。實驗結(jié)果說明這種具有高表面積和催化活性的納米復合物為非酶型生物傳感器提供了一種新型電極材料。
　　 (4)石墨烯具有比表面積大,導電性高,易功能化等優(yōu)點,因而在電化學生物傳感技術(shù)領(lǐng)域有著十分廣泛的應用。納米功能材料與石墨烯的復合通?？梢栽鰪娒總€組分的

8、電學和化學特性。因此在第5章中,我們采用電化學共同沉積法將普魯士藍顆粒與水溶性的石墨烯納米片復合沉積在玻碳電極表面,并進一步了對這個復合體系的生物傳感性能進行了詳細的研究。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),普魯士藍/石墨烯復合物修飾的電極在低電位下對過氧化氫具有良好的響應性能。制備的傳感器具有線性范圍寬、靈敏度高、響應速度快以及檢測限低等點。
　　 (5)為了緩解金屬氧化物納米材料在用作鋰離子電池負極材料時存在的粉化問題以及提高材料的循環(huán)性能,合成