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《宁夏大学》 2019年
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有序介孔钴基金属氧化物材料的设计、合成及其电化学应用

田茂银  
【摘要】:电化学传感器以其操作简单、灵敏度高、成本低廉及易于小型化,广泛应用于环境监控、医疗诊断、公共安全等众多领域,而开发高灵敏度、高选择性、低检测限、高稳定性的先进电化学传感器的关键在于电极材料的设计与合成。电极材料的传感性能与其表面活性位点数量、本征催化活性及导电性能密切相关。本文设计合成了一系列具有高比表面积、可调骨架尺寸与骨架化学组成的有序大介孔钴基尖晶石金属氧化物,显著改善了电极材料物质的传输能力、催化活性及导电性能,并研究了介观结构参数(比表面积、孔径分布、孔壁厚度以及孔容)和骨架化学组成对电化学传感性能的影响。1、采用有序介孔氧化硅KIT-6为模板、硝酸钴和硝酸镍为混合前驱体,通过改良的硬模板法合成了一系列有序介孔NiCo204尖晶石金属氧化物。通过改变KIT-6模板的孔道尺寸与联通性、前驱体组成与浸渍方式、锻烧温度等实验参数,实现了材料的比表面积(92~181 m2·g-1)、孔径(4.2~11nm)、骨架尺寸(4.6~8.7nm)以及骨架结构组成成分的调控。电化学性能测试发现介孔孔径的增加有利于葡萄糖及相关反应物的扩散传输、骨架尺寸的减小能增加比表面积,利于电解液中离子和分子的吸附和扩散且为催化提供更多的活性位点,从而促进电催化氧化葡萄糖活性的提高与传感性能的增强;尤其是所合成的一种同时具有大介孔(11 nm)、超细骨架(4.6nm)、高比表面积(181m2.g-1)的有序介孔NiCo2O4展示了对葡萄糖的快速响应(小于2 s)和最高的灵敏度 4368.8μA·mM-1·cm-2(线性范围:0.01~0.683 mM)。2、采用与上面类似的合成策略,通过改变前驱体的种类,也实现了其他有序介孔钴基尖晶石金属氧化物MCo2O4(M=Cu、Zn、Mn、Fe)的可控合成以及基于介观结构参数和骨架组成调控的传感性能增强:(1)成功合成了同时具有10~13 nm的大介孔、135 m2·g-1~185 m2·g-1的高比表面积、4.8~5 nm超细骨架的有序介孔钴基金属氧化物;(2)研究了有序介孔钴基尖晶石金属氧化物骨架中异质金属离子种类对其催化活性、导电性与葡萄糖非酶传感器传感性能的影响,发现同时具有大介孔(12 nm)、超细骨架(5 nm)、高比表面积(135 m2·g-1)、本征催化活性高和导电性优异的CuCo204展示了对葡萄糖最优的催化活性和最高的灵敏度5871.4μA·mM-1·cm-2(0.01-0.977 mM)以及良好的稳定性、抗干扰能力。相关研究结果对于其它先进电极材料的设计与开发具有重要的借鉴意义。
【学位授予单位】:宁夏大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TB34;TP212.2

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