基于碳纳米材料的电化学生物传感及催化的研究

【摘要】由于纳米材料的特殊结构及其特有的物理和化学特性,使得纳米材料在生物传感、光电化学催化、材料工程、生物医学、能源转化与储存以及环保等众多领域有着广泛的应用,并表现出其独特的优势。碳基纳米材料因其具有高的比表面积、优良的导电性和化学稳定性,近些年来受到了科学界尤其是电化学界广泛的关注,也取得了众多突破性的研究进展。本论文结合了材料科学、分析化学、电化学等领域的研究,构建了基于碳纳米材料的功能纳米复合物,并将其应用于生物传感以及电化学催化研究中,主要分为以下几个部分：第一章,首先介绍了纳米材料、电化学传感器、以及燃料电池的基本原理、研究现状和应用领域,并综述了纳米材料在电化学传感以及能源相关的电化学催化中的应用。在此基础上提出了本论文的研究设想,即基于纳米碳材料构建功能化纳米复合物,并应用于研究生物传感以及电化学催化。第二章,基于多层介孔碳纳米球自组装膜固定细胞色素c的直接电化学及其对过氧化氢的催化传感研究：通过层层自组装的方法,将有序介孔碳纳米球(MCNs)与聚电解质通过静电作用修饰到氧化锡铟(ITO)电极表面,进而吸附细胞色素c(Cytc),研究了该固定化Cytc的直接电化学行为以及对H202的催化响应。采用紫外可见吸收光谱表征了不同层数MCNs膜对Cytc固定量的影响。在没有任何外加电子媒介体的存在下,吸附于MCNs膜上的Cytc呈现出一对峰形良好的氧化还原峰,证明其与电极之间成功发生了直接电子转移。扫速研究表明Cytc的直接电化学行为是一个表面控制的过程,异相电子转移速率常数为5.9±0.2s-1。该传感器对H202具有良好的电催化响应,测定H202的线性范围较宽(5μM-1.5mM),检测限较低(1.0μM)。第三章,基于钯纳米粒子/介孔碳球纳米复合物的过氧化氢传感研究：选用高比表面积、大孔容的介孔碳纳米球(MCNs)作为载体,将PdCl2前驱体原位还原为负载型Pd纳米粒子。透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)表征结果显示负载的Pd纳米粒子具有良好的分散性和均一的粒径(4-5nm)。使用Pd/MCNs纳米复合物修饰电极构建了一种非酶H202传感器,采用循环伏安法和计时安培法对传感器的性能进行了考察和优化,结果显示该传感器对H202具有较高的电催化活性：响应灵敏度高(307.5μAcm2-)、检测限低(1.0μM)、线性范围宽(7.5μM-10mM)。同时该传感器具有较好的稳定性和较强的抗干扰能力。第四章,基于Pt-多级孔碳泡沫复合物的甲醇电化学氧化的研究：采用有序大孔硅泡沫作为模板,一步合成了同时具有微孔、介孔和大孔的碳泡沫材料(MCF)。扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、氮吸附结果表明MCF具有典型的泡沫状形态、较大的比表面积和孔容以及独特的多孔结构。以MCF为载体,采用多元醇还原法,得到了原位负载的铂纳米粒子,XRD结果显示了复合物中Pt纳米粒子的多个晶面；TEM结果表明Pt纳米粒子具有较好的分散性和均一的粒径分布。将Pt/MCF复合物修饰电极,考察了该复合物对甲醇氧化的电化学催化和响应。结果表明：相比于商业化VulcanXC-72炭黑为载体合成的Pt/C催化剂,Pt/MCF复合物具有更大的电化学活性比表面积,因而在催化甲醇氧化过程中显示出更高的催化活性。第五章,基于MoS2/介孔碳纳米球复合物的电化学析氢催化的研究：选用介孔碳纳米球(MCNs)作为载体,采用水热法将四硫钼酸铵原位还原成成负载的MoS2纳米粒子,并运用扫描电镜、透射电镜、X射线光电子能谱以及等离子发射光谱技术对MoS2纳米粒子的形态、组成及含量进行了表征,结果显示负载的MoS2具有典型的层状结构和较好的分散性。使用该MoS2/MCNs纳米复合物修饰电极,采用线性扫描伏安法和阻抗测量等电化学手段,研究了该催化剂对电化学析氢的催化效果,结果表明,MoS2/MCNs纳米催化剂对析氢反应具有较高的的催化活性,降低了析氢的过电位低(η=100mV)并提高了电流密度,例如在200mV过电位下,电流密度可达34mAcm-2。进一步地,我们根据Tafel方程对MoS2/MCNs纳米复合物催化析氢反应的机理进行了研究,结果表明,MoS2/MCNs催化的析氢反应主要经过Volmer和Heyrovsky两步反应,其中Heyrovsky反应为控速步骤。第六章,对全文进行了总结,指出了研究中存在的一些不足,并提出了后续工作的目标和研究思路。
【作者】卞晓军；
【导师】刘宝红；
【作者基本信息】复旦大学，分析化学，2013，博士
【关键词】生物传感器；电催化；介孔碳纳米球；细胞色素c；钯纳米粒子；过氧化氢；碳泡沫；铂纳米粒子；甲醇氧化；二硫化钼纳米粒子；析氢反应；

【参考文献】
[1]孙倩倩.山东沿海卫所研究[D].山东建筑大学,建筑设计及其理论,2013,硕士.
[2]吴希林.2008年奥运会我国田径竞争实力预测与分析[D].河北师范大学,体育教育训练学,2004,硕士.
[3]甘智林.“V+数词（一）动量词+N”的认知分析[D].苏州大学,汉语言文字学,2003,硕士.
[4]刘佰林.有氧运动对衰老大鼠肠系膜动脉平滑肌BKCa通道门控特性的影响[D].北京体育大学,运动人体科学,2013,硕士.
[5]魏小飞.新型小型化超宽带平面天线的设计与研究[D].上海交通大学,电子科学与技术,2014,硕士.
[6].中国研究生教育分学科门类排行榜[J].评价与管理,2014,02:50-54.
[7]罗公亮,卢强.智能控制与常规控制[J].自动化学报,1994,03:324-332.
[8]宋俊芳.北京市入境旅游客源市场研究[D].首都师范大学,自然地理学,2004,硕士.
[9]李雅玲.教师教育案例库建设及其案例研究[D].首都师范大学,2004.
[10]韩立侠.弱Hopf代数上的对角交叉积[D].河北师范大学,基础数学,2012,硕士.
[11]袁浩,屈刚,庄卫金,何鸣一,陈爱林,张海东.电网二次设备状态监测内容探讨[J].电力系统自动化,2014,12:100-106.
[12]张忠心.18Ni型马氏体时效钢热挤压管粗晶细化热处理工艺研究[J].四川冶金.1989(03)
[13]赵钧如.ABIN1与μ阿片受体功能的相互调节[D].中国人民解放军军事医学科学院,药理学,2013,硕士.
[14]刘健.秦皇岛发电有限公司E-learning系统实施案例研究[D].燕山大学,工商管理,2013,硕士.
[15]张腾.单叶蔓荆果实的化学成分及生物活性研究[D].山东大学,生药学,2013,硕士.
[16]李川.分布式数据库查询策略优化的研究[D].西安电子科技大学,计算机应用技术,2012,硕士.
[17]李宏毅,施正荣.太阳能光伏发电技术(9)[J].建筑创作.2004(11)
[18]杨彬.超声微泡击破技术对VX2肿瘤激光热消融治疗的影响[D].第四军医大学,生物医学工程,2014,硕士.
[19]郝祎.全网防误调度操作票系统的设计与实现[D].大连理工大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[20]朱峰.基于P2P原理的个人云存储应用研究[D].复旦大学,软件工程,2012,硕士.
[21]胡希川.α-Al2O3复合涂层梳刀的金相组织分析[J].工具技术.2005(07)
[22]张志兴.吉安市食品质量安全管理体系建设研究[D].浙江工业大学,2009.
[23]李芃霖.天津一汽大学生入职培训体系的研究与实践[D].吉林大学,车辆工程,2012,硕士.
[24]连峰,韩崇昭,刘伟峰.未知杂波环境下的多目标跟踪算法[J].自动化学报,2009,07:851-858.
[25]方建安,邵世煌.采用遗传算法学习的神经网络控制器[J].控制与决策,1993,03:208-212.
[26]王东.不同支挡结构形式与高边坡共同作用的安全系数分析及其优化[D].重庆交通大学,桥梁与隧道工程,2012,硕士.
[27]肖雄,许晓宏.辽河CYT油田C9块沙一段储层特征研究[J].石油地球物理勘探,2013,S1:186-190+203+13.
[28]金利民.JXEY医院发展战略研究[D].西南交通大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[29]衡杰.基于FPGA的工业相机图像处理系统设计[D].苏州大学,电子与通信工程（专业学位）,2013,硕士.
[30]刘向向.直驱永磁同步风力发电系统并网运行控制策略研究[D].西南交通大学,电机与电器,2013,硕士.
[31]周尧.高频冲击下凿岩台车钻臂动态特性研究[D].西南交通大学,机械工程,2013,硕士.
[32]杨宵曼.白藜芦醇调控AMPK/eNOS信号通路促进心肌微血管内皮细胞血管生成[D].苏州大学,内科学,2013,硕士.
[33]林小娟.社会网络环境下用户参与的图书馆数字资源建设规划模式研究[D].南京农业大学,图书馆学,2011,硕士.
[34]付璟.初中生未来时间洞察力、学业自我效能感与学业拖延之间的关系研究[D].华中师范大学,应用心理,2014,硕士.
[35]狄蕊.清金化痰汤加味治疗社区获得性肺炎（痰热郁肺型）的临床观察[D].黑龙江中医药大学,中西医结合临床（专业学位）,2014,硕士.
[36]李飞飞.惩罚性赔偿的适用与完善[D].首都经济贸易大学,民商法学,2013,硕士.
[37]李波.电针治疗创伤后应激障碍的功能磁共振研究[D].成都中医药大学,针灸推拿学,2012,硕士.
[38]满明俊,周民良,李同昇.农户采用不同属性技术行为的差异分析——基于陕西、甘肃、宁夏的调查[J].中国农村经济,2010,02:68-78.
[39]杨慧.公共机构能效监控系统的设计与开发[D].北京交通大学,2014.
[40]陈潇尧.基于BSC-SCOR的供应链绩效评价研究[D].北京交通大学,物流工程（专业学位）,2013,硕士.
[41]郭文,孙涛,朱建军.基于最大有效面集的网络SBM评价模型及其应用[J].控制与决策.
[42]江晓雷.建筑物空调系统的节能优配及碳排放量计算的研究[D].武汉纺织大学,环境工程,2013,硕士.
[43]罗永鹏.山西省科技创新平台运行效率评价研究[D].太原科技大学,企业管理,2013,硕士.
[44]周为华.不同养分管理模式对稻麦籽粒产量和品质及肥料利用率的影响[D].扬州大学,作物栽培学与耕作学,2012,硕士.
[45]闫光辉,何瑞春.DW及OLAP在现代企业MIS中的应用研究[J].兰州铁道学院学报,2002,01:20-23.
[46]张丽娜.网络隐私权保护的道德与法律平衡对策研究[D].东北农业大学,思想政治教育,2013,硕士.
[47]潘文彬,叶渊,韩洪江,杨韬,宋家旺.铁路无缝线路温度应力的有限元分析[J].机电工程,2013,01:47-50.
[48]王昊文.基于脑电的三维立体电视健康安全评价基础研究[D].南京航空航天大学,精密仪器及机械,2013,硕士.
[49]赵宽.国资改革背景下的央企集团投资能力预测[J].中国商贸,2015,01:179-181.
[50]任与非.透反类介质内脉冲激光传输的时空特性研究[D].哈尔滨工业大学,动力工程,2014,硕士.