少层碳化钛纳米材料的制备及其电化学传感性能研究

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二维过渡金属碳/氮化物(MXene)是近年来发展迅速的一类新型二维纳米材料,具有较大的比表面积、良好的亲水性、导电性等特性,成为电催化、电化学传感器和超级电容器等领域研究的热点。MXene二维纳米材料可以通过刻蚀MAX相进行制备,将多层的MXene二维纳米材料进行分层处理后得到的少层MXene具有更大的比表面积和更好的导电性,将少层MXene作为电极材料用于电化学传感应用中,不但可以更好地提高电极与底物的接触面积及电极上电子的传输速率,还可以提高酶负载量并有助于实现酶与电极之间的直接电化学。本文成功制备少层Ti3C2(FL-Ti3C2)和FL-Ti3C2/PILs-MWNTs纳米复合材料,并对其电化学传感性能进行了研究,为发展基于MXene材料的新型高效电化学传感器提供了新的思路。本论文的研究内容主要包括:1.通过二甲基亚砜(DMSO)对多层Ti3C2(ML-Ti3C2)进行插层和超声处理后成功制备了FL-Ti3C2材料。利用循环伏安法(CV)对FL-Ti3C2修饰电极(FL-Ti3C2/GCE)的电化学行为进行了系统性的研究,并采用差分脉冲伏安法(DPV)对其检测邻苯二酚(CC)的性能进行了考察,构建的FL-Ti3C2/GCE电化学传感器对CC的氧化具有良好的电化学催化性能,与裸电极和ML-Ti3C2修饰电极比较,FL-Ti3C2/GCE的CC氧化电位显著降低,并且氧化峰电流显著增加。此外,优化了实验所使用电解液的pH值,并进一步利用DPV对CC的浓度进行检测,结果表明所构建的FL-Ti3C2/GCE电化学传感器在CC浓度为0.05~5000μmol/L范围内,响应电流与CC浓度呈良好的线性关系,该传感器的相关系数为0.9985。此外,构筑的FL-Ti3C2/GCE电化学传感器还具有较高的灵敏度和较强的抗干扰性,可以高效灵敏地实现对CC的检测。2.利用π-π相互作用和静电相互作用制备了FL-Ti3C2/PILs-MWNTs纳米复合材料。首先,利用聚合离子液体(PILs)对多壁纳米碳管(MWNTs)进行修饰,成功合成了具有较好水分散性且带明显正电荷的纳米复合材料(PILs-MWNTs)。之后,利用PILs的阴离子交换性将FL-Ti3C2与PILs-MWNTs纳米复合物进行复合,得到带有正电荷的FL-Ti3C2/PILs-MWNTs纳米复合物。通过静电相互作用进一步将ChOx组装到FL-Ti3C2/PILs-MWNTs修饰电极表面,构建了ChOx/FL-Ti3C2/PILs-MWNTs/GCE。采用CV法对修饰电极的电化学行为进行了表征,同时也对传感器检测胆固醇的机理进行了探讨。研究结果表明,构建的ChOx/FL-Ti3C2/PILs-MWNTs/GCE对胆固醇表现出的催化性能,该传感器的线性范围为0.05~35.0μmol/L,相关系数为0.9989。此外,构筑的电化学传感器具有较好的稳定性和较强的抗干扰性能。FL-Ti3C2/PILs-MWNTs纳米复合材料作为电极材料有效地促进了所固载酶与MXene修饰电极之间的电子传输效率,为电化学生物传感器的发展提供了良好的平台。
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