基于贵金属纳米材料改性纤维的电化学传感器研究

作     者：黄新花 

作者单位：上海师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：文颖

授予年度：2020年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070302[理学-分析化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 0703[理学-化学] 

主      题：静电纺丝 聚苯乙烯 聚苯胺 贵金属纳米材料 电化学传感器 

摘      要：近年来,随着纳米技术的发展,各种金属纳米粒子研究也不断深入,贵金属纳米粒子的特性和潜在的应用价值引起人们的广泛关注,已经在分析、催化、生物系统、腐蚀科学和电池装置等领域得到了应用。金属纳米颗粒的形状从最初的球形纳米颗粒逐渐发展形成了包括纳米立方体、三角形、星、棒、片、盘等各种形状的材料,材料尺寸、形状和组成构成了影响纳米颗粒物理化学性质的重要因素。贵金属纳米粒子是一类新型具有独特的物理和化学性能的纳米材料,它具有较大的比表面积、较高的表面能和表面晶体缺陷等特点,具有金属材料和纳米材料的双重特性,受到科学家们的广泛关注。然而,单一组分的贵金属纳米粒子的功能单一且可能存在如易于团聚等缺陷。为了突破这些应用限制,人们运用纳米技术将贵金属纳米粒子与导电聚合物、非金属材料等结合形成贵金属杂化纳米复合材料,不仅获得单一组分材料的优异性能,而且兼具复合材料新的功能。本论文工作立足于把贵金属纳米粒子修饰在聚合物材料上以抑制贵金属纳米粒子的团聚,包括采用静电纺丝制备的聚苯乙烯(PS)纤维膜和以聚苯乙烯纳米纤维膜为模版制备的聚苯胺(polyaniline,PANI)空心管。聚苯乙烯因其热塑性特性、机械稳定性以及易于磺化和进一步修饰包括金属纳米颗粒等材料而受到采用。聚苯胺则因其特有的性质,包括酸掺杂后的高导电性、较大的比表面积、良好的环境和热稳定性、优越的氧化还原特性等,以及其在分析化学和电化学传感器的广泛应用得到了青睐。本工作在制备的聚合物膜基底表面上分别修饰金、钯、银等贵金属纳米材料以获得贵金属杂化纳米复合材料,探索了材料对亚硝酸盐、葡萄糖及过氧化氢(HO)等物种的电化学性能,并研究了材料的实际应用。本论文主要包含以下三方面工作:(1)利用静电纺丝工艺制备聚苯乙烯纤维并采用电化学恒电位方法沉积金纳米粒子构建Au/SPS/GCE工作电极。对聚苯乙烯纤维膜进行磺化引入带负电且亲水的磺酸根离子,在该纤维膜表面沉积获得均匀分布的金纳米粒子(AuNPs),通过优化合成条件以及测试条件,获得了制备的最优条件以及性能优良的亚硝酸盐电化学传感器。实验结果表明,在最佳实验条件下,采用差分脉冲伏安法测得亚硝酸盐的线性检测浓度包含1μmol/L-5823μmol/L和6281μmol/L-25307μmol/L两段范围,亚硝酸盐的最低检测限为0.6μmol/L。该电极具有非常强的时间稳定性,能够检测实际样品唾液中低浓度的亚硝酸盐。(2)利用静电纺丝技术结合化学原位还原沉积方法构建钯纳米粒子修饰的聚苯胺空心管膜复合材料(Pd/PANI/GCE)。本工作通过电荷静电作用在磺化聚苯乙烯纤维膜基底上修饰苯胺单体并进行原位聚合,获得磺化聚苯乙烯@聚苯胺(SPS@PANI)复合纤维膜。采用四氢呋喃(THF)溶解去除磺化聚苯乙烯(SPS)内芯后获得高导电性、高比表面积的聚苯胺空心管材料,通过化学原位还原方法在聚苯胺空心管表面均匀沉积钯纳米粒子(PdNPs)并由此构建了无酶葡萄糖传感器。实验结果表明,该传感器对葡萄糖检测的线性范围为0.1μmol/L-44μmol/L和44μmol/L-3423μmol/L两段线性,最低检测限为0.06μmol/L。该传感器能够直接应用于实际唾液样品中对于葡萄糖的检测。(3)银纳米粒子修饰的聚苯胺空心管膜复合材料的制备及对过氧化氢的电化学检测。本工作通过化学原位还原方法在前期获得的聚苯胺空心管上均匀沉积银纳米花(AgNF)以构建Ag/PANI/GCE电化学传感器。该传感器对过氧化氢具有良好的电催化性能,其电化学检测的浓度线性范围为0.1μmol/L-3389μmol/L,最低检测极限为0.08μmol/L。