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《华南理工大学》 2010年
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石墨烯和荧光碳纳米颗粒的制备及其电化学特性的研究

杜海军  
【摘要】: 近年来随着纳米科学技术的发展,特别是随着荧光碳纳米颗粒、富勒烯、碳纳米管、以及石墨烯等纳米结构相继被发现,碳素纳米材料科学研究得到了广泛的关注。石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,是构建零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨等其它碳质材料的基本单元,具有许多优异而独特的物理、化学和机械性能,在微纳电子器件、光电子器件、新型复合材料以及传感材料等方面有着广泛的应用前景,基于石墨烯的相关研究也成为目前电化学领域的热点研究领域之一。荧光碳纳米颗粒由于具有无毒、化学惰性以及良好的生物相容性的特点,在生物和医药领域具有重要的潜在应用价值,所以研究它的制备方法具有非常重要的意义。 本论文以石墨烯功能材料的制备为基础,研究了其在电化学传感器中的应用,同时,用电化学方法快速的制备了荧光碳纳米颗粒。其具体内容归纳如下: 1)运用氧化还原法制备了石墨烯功能材料,利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、红外光谱和拉曼光谱进行表征,分析了石墨烯的结构及其形态,为石墨烯功能材料在电化学传感器及电催化方面的应用提供了物质保证。 2)在水和离子液体的辅助下,利用一种简单、快速、绿色的电化学方法,一步即可制备石墨烯。扫描电子显微镜和原子力显微镜证实了二维石墨烯纳米薄膜具有单层结构,薄膜的边缘发生卷曲。拉曼光谱推断其含有一定的缺陷。红外光谱表明,石墨烯不含有含氧官能团,如:羧基、羟基、羰基等。此外,利用微分脉冲伏安法对多巴胺(DA)、抗坏血酸(AA)和尿酸(UA)进行了测定,结果表明该石墨烯对三种分子的氧化反应具有优良催化活性。利用石墨烯对pH的敏感性质,研发了基于石墨烯的pH传感器。石墨烯/Au修饰电极对pH变化有很大响应,在pH 3.0~11.0区间内呈良好线性关系,灵敏度为53.88 mV/pH。 3)首次开发出一种容易的一步法在乙醇溶液中电化学刻蚀石墨合成发蓝绿色荧光的碳纳米颗粒的方法。利用透射显微镜、红外光谱和拉曼光谱进行了表征,分析了荧光碳纳米材料的结构以及形态。其发光机制是碳纳米颗粒表面的缺陷使碳纳米颗粒表面产生了能量势阱,导致了碳纳米颗粒的可见光发射。这些单分散荧光碳纳米颗粒具有无毒、化学惰性和良好的生物相容性,在生物医药领域具有重要的应用价值。 4)利用石墨烯研制了测定芦丁的电化学传感器,芦丁可以在石墨烯修饰电极表面有效地富集,并且对芦丁的氧化具有很好的电催化作用。芦丁在电极表面的电化学过程是吸附控制,伴随着两个电子和两个质子的转移。芦丁的氧化峰电流与其浓度在1×10~7 M到1×10?5 M范围内呈良好的线性关系,相关系数为0.996,其检出限是2.1×10?8 M。电极容易再生,且具有良好的抗干扰能力。利用该方法成功地对药片中芦丁的含量进行了测定。 5)利用石墨烯研制了直接测定对苯二酚和邻苯二酚的电化学传感器。在醋酸缓冲溶液(pH 4.5)中,对苯二酚和邻苯二酚的氧化峰电位距离约112 mV;同时,其阳极氧化电流很大,这使得它适合于同时测定这些化合物。在优化的条件下,利用差分脉冲伏安法,在5×10~(-5) M邻苯二酚的存在的条件下,响应电流与对苯二酚的浓度在1×10~(-6) M到5×10~(-5) M之间呈良好的线性关系,相关系数为0.991,检测限为1.5×10-8 M。同样在5×10~(-5) M对苯二酚的存在下,响应电流与邻苯二酚的浓度在1×10~(-6) M到5×10~(-5) M与之间呈良好的线性关系,相关系数为0.994,检测限为1.0×10-8 M。石墨烯修饰电极表现出了良好的稳定性、高的灵敏度和良好的选择性,并应用于模拟水样品中对对苯二酚和邻苯二酚的同时测定。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB383.1

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