铁系金属/碳基复合材料制备与电化学性能研究

来源 :江苏海洋大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:woainiyuying
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多巴胺(DA)、尿酸(UA)和扑热息痛(PA)是海洋环境和水体常见的有机污染源。并且在人体的生理功能中起着重要的作用,DA、UA和PA的浓度异常与某些疾病息息相关。因此,开发一种可以快速检测这些目标分子的电化学生物传感器对于海洋环境、人体健康的监测都有非常重要的意义。铁系金属/碳基复合材料在荧光、光转换、电导率和催化等方面表现出许多独特的性质,在传感领域有着良好的发展前景。本论文合成了不同形貌的铁系金属/碳基纳米材料,并将其用于DA、UA和PA的检测。主要内容如下:(1)以镍基配位化合物为原料,通过热解法制备了负载镍纳米粒子的碳纳米棒(Ni@CNRs)。所构建的Ni@CNRs复合材料具有较高的比表面积,Ni纳米粒子均匀分布在复合材料表面。Ni@CNRs的高比表面积可增加材料与检测物接触的活性位点,而Ni纳米粒子在碳纳米棒上分布缩短了Ni纳米粒子与CNR之间的距离,从而加速电子迁移。将Ni@CNRs作为电极材料用于检测多巴胺(DA)和尿酸(UA)。Ni@CNRs修饰电极在0.5~30μM和35~100μM范围内对DA和UA分别检测,结果均呈线性。Ni@CNRs/GCE对DA和UA的检测灵敏度分别为0.379和0.195μAμM-1 cm-2,检测限(S/N=3)分别为0.056μM和0.166μM。此外,由于其高灵敏度和稳定性,Ni@CNRs已成功应用于真实尿液样品中DA和UA的分析。这些结果表明Ni@CNRs是一种可以用于同时检测DA和UA的电极材料。该工作为开发新型电传感材料提供了一种有效的策略。(2)以镍基金属-有机骨架(Ni-MOF)为模板,通过热解法制备了镍@碳核壳纳米材料(Ni@CNS)。利用透射电镜、X射线粉末衍射、X射线光电子能谱和N2吸附-脱附等温线对Ni@CNS的结构进行了表征。Ni离子在MOF中的均匀分布为核-壳结构的合成提供了模板,核壳结构中的薄碳壳层有效地保护了Ni纳米粒子的稳定性,从而加速了电子的迁移。Ni@CNS的比表面积为116.12 m~2 g-1,显著的增加了电极材料与检测物的有效接触面积。这些结构优势有效的改善了修饰电极对扑热息痛(PA)检测的电化学传感性能。Ni@CNS修饰电极检测PA的线性范围为0.5~25μM和30~250μM范围内检出限为0.028μM(S/N=3),具有较宽的检测范围和较高的检测灵敏度。此外,由于其具有灵敏度高、稳定性强、选择性高、重复性好等优点,所构建的电极成功应用于在实际水样中对PA的检测。(3)以2-甲基咪唑为碳源,硝酸镍和硝酸钴分别为镍源和钴源,硝酸锌为锌源,制备混合金属MOF,并通过热解法,利用Zn在高温下易挥发这一物理特性,通过在900℃条件下煅烧,合成了Ni/Co-C框架结构,并对Ni/Co-C框架结构的结构进行了表征。Ni和Co粒子在MOF中的均匀分布,薄碳壳层有效地保护了Ni和Co纳米粒子的稳定性,加速了电子的迁移。Ni/Co-C没有加入硝酸锌的条件下的比表面积为146.65 m~2 g-1,在加入硝酸锌后比表面积为303.01 m~2 g-1,由此可见硝酸锌的掺入显著增加了修饰电极的有效面积。这些结构优势增强了修饰电极的电导率,改善了对DA、UA和PA检测的电化学性能。从XPS中可以观察到Ni存在较小的峰,而Zn没有峰值存在,可以推断出理想状态下Zn在900℃高温下可以去除掉,Ni/Co-C修饰电极检测DA的线性范围为25~130μM和150~360μM,检出限为1.34μM(S/N=3),具有较高的定量检测DA的灵敏度。检测UA的线性范围为1~100μM和150~450μM,检出限为0.083μM(S/N=3),具有较高的定量检测UA的灵敏度。检测PA的线性范围为1~70μM和80~180μM,检出限为0.032μM(S/N=3),具有较高的定量检测PA的灵敏度。此外,由于其灵敏度高、稳定性强、选择性高、重复性好,所构建的电极成功用于实际样品中DA、UA和PA的检测。该论文有图30幅,表9个,参考文献147篇。
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