聚酰亚胺/碳纳米材料修饰电极的制备及其在光电催化和传感器中的应用

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发展新型修饰电极对构建各类电化学传感器以及拓展新能源电极材料有着重要的科学意义。基于此,本博士论文以高分子聚酰亚胺(PI)和碳纳米管(CNT)为材料,通过合成、复合等方法制备了几种不同的聚酰亚胺/碳纳米管(PI/CNT)修饰电极;通过电化学沉积等方法,将纳米材料MoS2、Ni(OH)2、Zn O等制备于相应的电极材料表面;用扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),X射线衍射(XRD),X射线光电子能谱(XPS),循环伏安法(CV),线性扫描伏安法(LSV),计时电流法(i-t)等多种方法研究了修饰电极的结构、形貌及性能;研究了所制备修饰电极在光电催化和传感器中的应用。主要内容包括:1.PI/CNT电极基底上Ni(OH)2的电沉积制备及其对葡萄糖的传感性能研究采用电沉积方法在PI/CNT电极基底上制备了Ni(OH)2;用SEM和TEM表征了电沉积所得Ni(OH)2纳米片的形貌和晶体结构,用XPS研究了修饰电极表面元素的化学价态;CV研究表明PI/CNT-Ni(OH)2修饰电极对葡萄糖具有良好的电化学响应,进而构建了葡萄糖传感器;研究得到该葡萄糖传感器的灵敏度为2071.5mA m M-1 cm-2,检测限为0.36mM,线性范围为1.0-800mM,稳定性和重复性良好;所发展的传感器用于人体血清中葡萄糖浓度的检测。2.PI/CNT电极基底上In修饰的纳米半导体Zn O的电沉积制备及其在邻苯二酚传感器中的应用研究采用电沉积方法在PI/CNT电极基底上,首先制备了半导体Zn O纳米片,然后在PI/CNT-Zn O电极表面电沉积纳米级的元素In;CV法研究了PI/CNT-Zn O-In修饰电极对邻苯二酚(CC)的电催化作用;研究发现In纳米颗粒的修饰能增强电极表面Zn O纳米片的电催化性能,且不同In修饰量的PI/CNT-Zn O-In电极对CC的电催化效果不同;所发展的电化学CC传感器线性范围为1.0-1600mM,检测限为0.39mM,重复性好,抗干扰性强,可用于实际水样中CC的检测。3.还原石墨烯修饰的PI/CNT电极上MoS2的电沉积制备及其电催化析氢反应的性能研究在合成PI的过程中,导电性良好的CNT掺入不导电的PI,制得导电高分子电极PI/CNT,并用还原石墨烯(RGO)修饰PI/CNT电极,使获得的PI/CNT-RGO修饰电极的导电性增强并放大电极的有效面积。通过电化学方法在PI/CNT-RGO电极表面沉积纳米材料MoS2,LSV法研究了PI/CNT-RGO-MoS2电极表面电催化析氢反应(HER),在0.5 M H2SO4中HER所需过电位仅为0.09 V(vs.SCE),析氢动力学速度较快。Tafel曲线法测得HER发生时Tafel斜率为61 m V decade-1,说明该电极表面的HER遵循Volmer-Heyrovsky反应机理。4.PI/CNT电极基底上Co(OH)2的电沉积制备及其电催化析氧反应的性能研究采用电沉积方法在PI/CNT电极基底上制备了Co(OH)2;用SEM和TEM表征了电沉积所得Co(OH)2纳米片的形貌和晶体结构;在碱性溶液中,利用LSV研究了PI/CNT-Co(OH)2修饰电极的电催化析氧反应(OER)行为,其OER发生的过电位为0.317 V(vs.SCE),Tafel斜率为49 m V decade-1,阳极电流增长迅速,电催化性能优良,电催化性能优良的原因是电极表面Co(OH)2纳米片具有大的电化学活性面积。5.PI/CNT电极基底上半导体化合物Zn Te的电沉积制备及其光电性质研究CV法研究了H2TeO3和ZnSO4在PI/CNT电极基底上的电化学特性,在此基础上用交替电沉积方法构建了PI/CNT-Zn Te修饰电极;SEM和TEM研究结果表明Zn Te具有精细的树枝状结构,该树枝状结构受沉积圈数及试剂浓度的影响;开路电位间(OCPt)实验研究了Zn Te的光电性质,结果表明PI/CNT电极表面电沉积所得Zn Te为P型半导体材料,具有良好的光电性质。
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