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碳纳米管及其复合材料修饰电极的电催化作用研究

郑莉  
【摘要】: 化学修饰电极是利用化学和物理的方法,将具有优良化学性质的分子、离子、聚合物固定在电极表面,从而改变或改善电极原有的性质,实现电极的功能设计。将新材料如纳米材料应用于化学修饰电极以进一步提高其分析性能是当前研究的热点,它将有利于拓宽电化学及分析化学在生命科学、环境工程、能源工程等领域的应用。本文就碳纳米管糊电极和碳纳米管复合材料修饰电极的制备及其对药物、坏境、能源和生命科学领域的一些物质的电催化作用展开工作,全文分两部分: 第一部分:绪论,对碳纳米管的结构和制备方法、碳纳米管的特性、碳纳米管复合材料修饰电极的类型及其分析应用进行了综述。 第二部分:研究论文,内容如下: 1.研究了抗高血压药乌拉地尔在多壁碳纳米管糊电极(MWCNT-PE)上的伏安行为。在pH 6.8 Britton-Robinson缓冲液中,乌拉地尔于电位+0.62V(vs.SCE)处产生(?)灵敏的氧化峰。该峰是具有吸附特性的两电子两质子不可逆过程。与碳糊电极(CPE)比较,该峰在MWCNT-PE上的峰电位降低,峰电流升高,表明MWCNT-PE对乌拉地尔的氧化具有电催化作用。探讨了产生电催化作用的原因。基于乌拉地尔的阳极氧化行为,建立了差分脉冲伏安法测定乌拉地尔的新方法。开路富集60s后,乌拉地尔的氧化峰峰电流与其浓度在5.0×10~(-8)-2.0×10~(-6)mol·L~(-1)范围内呈线性关系,检出限为3.8×10~(-8)mol·L~(-1).用该法测定了片剂中乌拉地尔的含量。 2.用循环伏安法和差分脉冲伏安法研究了胃肠促动力药西沙必利在多壁碳纳米管糊电极上的伏安行为和反应机理。在pH 6.09 Britton-Robinson缓冲液中,西沙必利在+0.89V(vs.SCE)处产生一灵敏的氧化峰。该氧化峰是由吸附控制的两电子一质子不可逆过程。其峰电流与浓度在4.0×10~(-8)-2.0×10~(-5)mol·L~(-1)范围内呈线性关系,检出限为1.0×10~(-8)mol·L~(-1).对5×10~(-6)mol·L~(-1)西沙必利平行测定10次的相对标准偏差为3.68%。用本法测定了片剂中西沙必利的含量,加标回收率在95.7%-104%之间。 3.将姜黄素(CM)电沉积于多壁碳纳米管(MWCNT)修饰玻碳电极(GCE)表面,制备了姜黄素多壁碳纳米管复合物修饰玻碳电极(CM-MWCNT-GCE)。在pH 8.0磷酸盐缓冲液中,该修饰电极呈现一对两电子两质子氧化还原峰。这对峰是由姜黄素被电氧化生成的姜黄素邻醌衍生物的醌/氢醌(CM-Q/CM-QH_2)氧化还原过程产生的。与CM-GCE、MWCNT-GCE和活化GCE比较,肼在CM-MWCNT-GCE上的氧化电位降低,氧化电流升高,因而该电极对肼的氧化具有较好的电催化作用。用计时安培法测得肼的催化速率常数k_(cat)为6.26×10~3 L·mol~(-1)·s~(-1)。在pH 8.0磷酸盐缓冲液中,安培法测得肼的线性范围为2-44μmol·L~(-1),检出限和灵敏度分别为1.4μmol·L~(-1)和22.9nA·L·μmol~(-1)。该修饰电极制备简单,对肼的测定响应快速,灵敏度高,重现性好。 4.在碱性溶液中将Ni(Ⅱ)-槲皮素(Qu)配合物电沉积在碳纳米管糊电极表面,制备了Ni(Ⅱ)-Qu配合物修饰碳纳米管糊电极Ni(Ⅱ)-Qu-MWCNT-PE。与Ni(Ⅱ)-MWCNT-PE和Ni(Ⅱ)-Qu-CPE比较,该电极表面Ni(Ⅲ)/Ni(Ⅱ)电对的伏安响应可逆性提高,峰电流增加,且该修饰电极对甲醇和其它短链脂肪醇如乙醇、正丙醇和正丁醇的氧化具有电催化活性。催化峰电流和峰电位随脂肪醇碳链碳原子数的增加而呈指数形式降低。对一些动力学参数如电子转移系数α,电极反应的速率常数k_s和甲醇氧化的催化速率常数k_(cat)进行了测定。Ni(Ⅱ)-Qu-MWCNT-PE呈现出良好的稳定性和重现性,可用于实际测定。 5.将Ni(Ⅱ)-Qu配合物电沉积在碳纳米管离子液体(ILs)糊电极表面,制备了Ni(Ⅱ)-Qu修饰碳纳米管离子液体糊电极Ni(Ⅱ)-Qu-MWCNT-IL-PE。由于MWCNT、聚-[Ni(Ⅱ)-Qu]导电聚合物、离子液体的协同作用,使Ni(Ⅱ)-Qu-MWCNT-IL-PE上Ni(Ⅲ)/Ni(Ⅱ)电对的响应电流增加,响应可逆性提高,而且使该修饰电极对葡萄糖的氧化具有良好的电催化活性。安培法测得葡萄糖的催化氧化峰电流与葡萄糖浓度在5μmol·L~(-1)-2.8 mmol·L~(-1)范围内呈线性关系,检出限为1.0μmol·L~(-1)同时,对一些动力学参数,如电子转移系数α,电极反应的速率常数k_s和葡萄糖氧化的催化速率常数k_(cat)也进行了测定。该修饰电极制备简单、稳定性好,对葡萄糖的测定响应快速、灵敏度高。 6.将Ni(Ⅱ)-贝加因(BA)电沉积在多壁碳纳米管碳糊电极(MWCNT-PE)的表面,制备了Ni(Ⅱ)-BA-MWCNT-PE修饰电极。由于MWCNT、聚-[Ni(Ⅱ)-BA]导电聚合物的协同作用,使Ni(Ⅱ)-BA-MWCNT-PE上Ni(Ⅲ)/Ni(Ⅱ)电对的响应电流增加,响应可逆性提高,而且使该修饰电极对肼的氧化具有良好的电催化活性。安培法测得肼的催化氧化峰电流与肼的浓度在2.5μmol·L~(-1)-0.2 mmol·L~(-1)范围内呈线性关系。检出限和灵敏度分别为0.8μmol·L~(-1)和69.9μA·L·mmol(-1)。研究了电极反应和电催化反应的动力学过程,测定了电子转移系数α,电极反应的速率常数k_s和催化反应的催化速率常数。 7.在碱性介质中.用电沉积法制备了纳米结构的Ni(Ⅱ)-BA-MWCNT-PE修饰电极。该修饰电极对甘氨酸具有电催化活性且其催化活性高于Ni(Ⅱ)-MWCNT-PE。安培法测得催化峰电流与甘氨酸浓度在20μmol·L~(-1)-1.0 mmol·L~(-1)范围内呈线性关系。检出限和灵敏度分别为9.2μmol·L~(-1)和3.92μA·L·mmol~(-1)。该修饰电极对甘氨酸的测定具有制备简单,响应快速、稳定性好和灵敏度高的特点。另外,对一些动力学参数如电子转移系数α,电极反应的速率常数k_s和催化反应的催化速率常数也进行了测定。


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