基于镍单原子催化剂的无酶葡萄糖电化学传感研究

作     者：尹航 

作者单位：曲阜师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：白啸

授予年度：2024年

学科分类：081704[工学-应用化学] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 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）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：电化学传感器 电催化 镍单原子催化剂 葡萄糖 

摘      要：Ni基纳米材料具有价态可控、性能可调等优点,其为电化学传感研究注入了活力。在开展基于Ni基纳米材料的电化学传感研究中,一个核心问题是如何调控Ni基纳米材料的催化活性,这是制约电化学传感器性能的关键。然而,由于传统Ni基纳米材料结构和组成的复杂性,其导致催化机制不明,这使得确定实际活性中心和寻找催化活性的来源变得极为困难。单原子催化剂具有明确的配位结构,这为解析构效关系提供了契机,并逐渐成为了电化学传感领域新的热点。基于此,本论文开展了三项基于Ni单原子催化剂的无酶葡萄糖电化学传感研究工作,并且建立了三种可高灵敏检测葡萄糖的电化学传感新方法。该工作拓展了金属单原子催化剂在电化学传感领域的应用,这为开发新型传感材料提供了参考。 1.通过高温热解法制备了 Ni/C和Ni/NC纳米复合材料,并且研究了 Ni/C和Ni/NC材料电催化氧化葡萄糖的性能。结果表明,Ni/NC的电催化活性远高于Ni/C材料,进一步的探究发现Ni/NC材料中的N掺杂结构诱导了 Ni单原子(Ni SAs)的生成,而Ni SAs拥有更为优异的电催化活性。基于此构建了基于Ni SAs催化剂的无酶电化学传感器,其检测葡萄糖的线性范围为0.0008 mM-1.124 mM,灵敏度为799.43 μA·mM-1·cm-2,检出限为0.22μM。该实验发现了 Ni SAs催化剂具有电催化氧化葡萄糖的活性,其不仅为N掺杂增强电化学传感机制提供了新的解释,而且拓展了金属单原子催化剂在电化学传感领域中的应用。 2.基于逐步组装策略将镍单原子(Ni SAs)定向锚定在石墨烯中空纳米球(GHSs)的内外表面上(Ni SAs/GHSs/Ni SAs),其显著提高了 Ni SAs的含量,进而为葡萄糖的氧化反应提供了丰富的活性位点,促进了葡萄糖的电化学氧化过程。基于Ni SAs/GHSs/Ni SAs材料构筑的电化学传感器检测葡萄糖的范围为0.0008 mM-1.1244 mM,检出限为0.19 μM(S/N=3)。这项研究为构建高密度金属单原子催化剂提供了一条新的途径,也为构筑高活性单原子催化剂提供了思路。 3.基于离子交换-封装策略制备了高含量的镍单原子(Ni SAs)催化剂,与仅采用离子交换或封装的策略不同,新型的离子交换-封装策略充分利用了 ZIF-8材料的Zn节点和多孔框架的独特优势,其显著增强了 Ni SAs的负载能力,并研究了 Ni SAs的含量与电催化氧化葡萄糖性能之间的关系。结果表明,增加Ni SAs的负载量有利于提高电催化活性,从而实现了对葡萄糖的高灵敏度检测。这项研究发展了一种提高金属单原子含量的策略,其为设计高性能传感材料提供了借鉴。