石墨烯—超分子纳米复合材料的制备及其应用

【摘要】本文将具有超分子识别能力的杯芳烃、柱芳烃及具有催化能力的金纳米粒子与石墨烯纳米材料相结合,设计和制备多种能够发生协同作用的具有超分子识别性能的功能性纳米复合材料,实现了纳米科学与超分子化学的有机结合。主要设计和开展了下列工作：(1)将对磺酸基杯[n]磺酸盐SCn(n=4,6,8)修饰到石墨烯RGO的表面得到三种纳米复合材料RGO-SC4、RGO-SC6、RGO-SC8,分别考查了三种复合材料的水分散性。探讨了SCn(n=4,6,8)与氧化石墨烯GO之间的作用机理。采用红外吸收外光谱、紫外吸收外光谱、热重分析、场发射扫描电镜、交流阻抗等手段手段表征了复合材料的组成、形貌和性能。(2)将SCn(n=4,6,8)修饰玻碳电极,利用循环伏安法分别研究了SCn(n=4,6,8)对4种电活性分子(多巴胺DA、尿酸UA、色氨酸Trp、亚甲基蓝MB)的超分子识别能力。结果发现：RGO-SC4、RGO-SC6、RGO-SC8三种材料的两种成分都能够协同地促进客体分子在修饰电极上的电化学反应,表现出各自不同的超分子识别能力。此外,也系统比较了同一客体分子在RGO-SC8、RGO-SC6、RGO-SC4修饰电极上的电化学信号强度,其顺序是：RGO-SC8>RGO-SC6>RGO-SC4。即与其他两种修饰电极相比,RGO-SC8对4种客体分子中的任何一种都展现出最强的超分子识别能力,显示最高的电化学信号,也具有很高的电流密度。用RGO-SC8修饰电极,采用示差脉冲伏安法检测DA,DA的峰电流大小与DA的浓度在1×10-8到2.1×10-5mol·L-1的线性范围内有良好的线性关系,其线性相关系数为R=0.9979,线性回归方程为i(mA)=0.0106+0.00957CDA(μM),检测限为8×10-9mo1.L-1(根据三倍噪声信号的确定)。此外,我们也研究发现AA、UA、Trp不会干扰DA的测定,即RGO-SC8/GC对DA的检测具有很好的选择性。因此,RGO-SC8纳米复合材料是一种非常好的电极修饰材料,具有很好的电分析性能。(3)将双亲的间苯二酚杯[4]芳烃T修饰在石墨烯RGO表面,成功地制备得到了水分散性RGO-T纳米复合材料,并详细探讨了T与GO(或RGO)的作用机理。将RGO-T修饰在玻碳电极表面,系统地研究了溶液中的客体分子(多巴胺DA、尿酸UA、色氨酸Trp、亚甲基蓝MB)在修饰电极进行上的循环伏安行为。结果发现：客体分子在RGO-T修饰电极表面的电化学响应信号比在RGO修饰电极或裸电极上的强。进一步地,利用RGO-T上T分子中所含的胺基,将金纳米粒子AuNPs自组装到RGO-T表面,获得了RGO-T-AuNPs三元纳米复合材料。同样地,将RGO-T-AuNPs修饰在玻碳电极表面,系统地研究了4种客体分子(DA、UA、Trp、MB)在修饰电极进行上的循环伏安行为。结果发现：客体分子在RGO-T-AuNPs修饰电极表面的电化学响应信号比在RGO-T修饰电极上的强很多,说明RGO-T-AuNPs三元纳米复合材料协同地发挥了各自的优异性能。(4)将双亲的柱[5]芳烃AP5修饰在石墨烯RGO表面,成功地制备得到了水分散性RGO-AP5纳米复合材料。将RGO-AP5修饰在玻碳电极表面,系统地研究了溶液中的6种客体分子(多巴胺DA、对乙酰氨基酚APAP、尿酸UA、色氨酸Trp、亚甲基蓝MB、吡虫啉IDP)在修饰电极进行上的循环伏安行为。修饰电极对六种客体分子展现出选择性的超分子识别与富集能力,对与AP5尺寸匹配的分子,修饰电极展现出比RGO修饰电极即裸电极更高的电化学信号。进一步地,利用RGO-AP5上AP5分子中所带的胺基,将金纳米粒子AuNPs自组装到RGO-AP5表面,获得了RGO-AP5-AuNPs三元纳米复合材料。同样地,将RGO-AP5-AuNPs修饰在玻碳电极表面,系统地研究了6种客体分子(DA、APAP、UA、Trp、MB、IDP)在修饰电极进行上的循环伏安行为。结果发现：对于与AP5尺寸匹配的分子,其在RGO-AP5-AuNPs修饰电极表面的电化学响应信号比在GO-AP5修饰电极上的强很多,说明RGO-AP5-AuNPs三元纳米复合材料协同地发挥了各自的性能。最后,考查了RGO-AP5-AuNPs对DA的电分析性能,结果表明DA在修饰电极上表现出较宽的线性范围(1.5×10-8to1.9×10-5M)、良好的线性相关系R=0.9973及非常低的检测限(1.2×10-8M)。
【作者】周君；
【导师】刁国旺；
【作者基本信息】扬州大学，物理化学，2014，博士
【关键词】石墨烯；杯芳烃；柱芳烃；纳米复合材料；超分子识别；

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