空心贵金属纳米材料的制备及其在电化学传感器中的应用

作     者：陈婷 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张进

授予年度：2015年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：贵金属 空心结构 电催化 葡萄糖 过氧化氢 

摘      要：电化学传感器因灵敏度高、稳定性好、能进行快速实时监测等特点,已在临床诊断、环境监测、食品检测等领域得到广泛的应用。电极材料的电催化活性是影响传感器参数指标的重要因素,贵金属催化剂以其较高的催化活性和化学稳定性,成为当前催化研究领域的热点课题。具有空心结构的贵金属纳米材料综合了空心结构和贵金属纳米粒子的优点,具有大的比表面积及丰富的孔洞结构,能够容纳大量的客体分子或尺寸较大的分子,具有较多的催化活性位点,电催化活性大幅度提高,在生物化学、催化化学、材料科学等领域具有特殊的应用前景。本论文拟以Cu2O为牺牲模板,利用Cu2O和贵金属前驱体溶液之间的自发氧化还原反应设计合成单元或二元的贵金属空心结构材料,同时对该空心结构材料的微观形貌进行解构,对其成分进行分析。研究了该空心材料修饰电极对葡萄糖和过氧化氢的电化学检测能力,通过电化学方法对电化学传感器的性能指标进行了标定,该空心结构对葡萄糖和过氧化氢均表现出较高的电催化活性。该论文的研究将为贵金属空心结构在生物分子电催化领域的应用提供理论支持和指导意义,主要研究内容如下:(1)采用液相法制备了立方结构的Cu2O,并用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)对其形貌和结构进行了表征,结果表明,实验得到了纯净的单相实心赤铜矿Cu2O晶体,平均粒径400 nm左右。(2)以Cu2O为模板,将H2PtCl6溶液加入到Cu2O悬浮液中,两者发生氧化还原反应使铂负载在Cu2O表面,随后,酸蚀去除模板,得到Pt空心纳米结构材料。采用SEM和TEM对其形貌进行了表征,构建了基于Pt空心纳米材料的葡萄糖电化学传感器,采用循环伏安法(CV)和计时电流法(CA)研究了其修饰电极对葡萄糖的电催化氧化性能。实验结果表明,该传感器对葡萄糖的催化氧化电流与其浓度在0.5mM-22.5 mM范围内呈现良好的线性关系,检出限为0.26 mM,灵敏度为92.03μA/mM/cm2。(3)以Cu2O为模板,将H2PtCl6溶液和Na2PdCl4溶液按摩尔比1:1先后加入到Cu2O悬浮液中,酸蚀去除模板,得到Pt/Pd空心纳米材料。采用SEM、TEM和X射线能量色散谱(EDS)对其形貌结构进行了表征,构建了基于Pt/Pd空心纳米材料的H2O2电化学传感器,采用CV和CA研究了其修饰电极对H2O2的电催化性能。实验结果表明,该传感器对H2O2的催化电流与其浓度在0.25 mM-30 mM范围内呈现良好的线性关系,检出限为0.12 mM,灵敏度为77.66μA/mM/cm2。(4)采用相同的模板法制备空心金纳米材料,通过研究氯金酸用量、腐蚀剂种类等因素对产物形貌的影响后,均未得到期望的空心结构。由于负载型金纳米粒子同样表现出极高的电催化活性,实验中研究了Au-Cu2O复合材料修饰电极对H2O2的电化学检测性能。实验结果表明,Au-Cu2O复合材料对H2O2有较高的电催化活性,电化学传感器的线性范围为0.025 mM-11.2 mM,检出限为1.05μM,灵敏度为292.89μA/mM/cm2,该材料在H2O2的快速检测方面有潜在的应用价值。