石墨烯纳米复合材料制备、表征及对H2O2电化学性质的研究

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石墨烯(GNs)作为碳材料家族中新发现的一类物质,比石墨具有更高的比表面和导电率,对一些特定底物具有较高的电催化性能,引起了人们广泛的研究兴趣。纳米Pd(Pd-NPs)具有优良的化学稳定性、高的催化活性、导电性以及极强的抗腐蚀能力,被广泛的应用于氧化还原反应中检测物的分析。而纳米Fe2O3是一种类辣根过氧化氢酶的物质,能够对过氧化氢(H2O2)起到催化作用。藉此,本文制备三种不同类型的纳米复合材料,并对材料结构、特性及电极的组装过程、功能界面进行了表征,进而研究了H2O2在修饰电极上的电化学特性及催化机理。1、制备了氧化石墨烯,通过一步还原的方法合成了Pd-NPs/GNs纳米复合材料,粒径为5nm左右的纳米Pd均匀分散在GNs的表面或嵌入到GNs层之间,这不仅有利于GNs的分散,而且使其具有更大的比表面积和更好的层间导电特性。由Pd-NPs/GNs构建的修饰电极,明显地降低了反应过电位,增强了GNs层间电子传输速率。结果表明,H2O2在电极表面为扩散控制过程,电极反应为两电子两质子电化学反应过程,响应电流与H2O2浓度在1.0×10-9~1.0×10-7mol/L范围内呈现良好的线性关系(R2=0.9903),检测下限为2.0×10-10mol/L(S/N=3)。2、通过静电相互吸引作用,将带负电的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)-GNs、带正电的聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)和带负电的柠檬酸根包裹的Pd-NPs层层自组装而形成Pd-NPs/PDDA/PVP-GNs纳米复合材料,并利用此物质制备化学修饰电极。Pd-NPs/PDDA/PVP-GNs/GCE对H2O2具有较高的电催化活性,线性范围位于5.0×10-8~8.0×10-6mol/L之间(R2=0.9956),检测下限为2.0×10-8mol/L。该修饰电极选择性良好,稳定性较高,重现性好。3、将纳米Fe2O3、离子液体(IL)和GNs利用组合法制得Fe2O3-IL-GNs并修饰玻碳电极,应用到H2O2的检测中。该方法有以下三个优点:(1)纳米Fe2O3是一种类辣根过氧化氢酶的物质,对H2O2有催化作用;(2)GNs能够有效的固定和负载纳米Fe2O3,同时GNs本身具有纳米催化特性,亦可对H2O2起电催化作用;(3)室温IL分布于纳米复合材料的界面,可进一步促进电荷的传递速率,极大地增强电流响应,提高检测灵敏度。故三者的协同作用,使电极在较宽范围内(8.0×10-6~1.33×10-3mol/L),呈现对H2O2电催化特性(R2=0.9964),检测限为6.0×10-7mol/L (S/N=3),其电极反应为两电子一质子的电化学过程。
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