介孔二氧化硅/碳材料在电化学检测环境污染物方向的应用

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介孔材料自出现以来一直受到学界的广泛关注,这不但因为其拥有独特的2D表面形貌及3D结构特性,更因为它在较大的比表面积上拥有更多的反应位点,这些反应位点有利于诸如吸脱附、催化和电化学等依赖于表面特性的反应过程的进行,其独特可调的单分子中空结构打破了传统多孔材料(如沸石)在孔径尺寸上的限制,使其在表面化学研究方面显示出先天的优势,纳米级结构的材料因为纳米尺度效应(包括量子效应,表面结构效应,限域效应)使得纳米材料在传感等方面的应用上大放异彩。有序介孔材料的粒径尺度都是在微米级别的,这使得其除了能在包括如吸附、过滤分离在内的普通工业流程中有重要应用,同时也不失纳米材料所拥有的一些特性。在电化学检测领域,介孔材料因为有较大的比表面积有效提高了双电层面积,丰富的孔道有利于物质的传递,拥有较多的活性位点等优点一直被人们关注。本论文主要是以制备介孔材料作为电极修饰材料,并以此组装电化学传感器对溶液中如重金属离子、H2O2等污染物进行检测。  一、制备了介孔材料SBA-15,对其进行了形貌表征,证明了介孔结构的存在。使用SBA-15修饰了玻碳电极制备了SBA-15/Nafion/GCE电极,并对该传感器进行了电化学表征,SBA-15由于其独特的多孔结构有利于铜的沉积与富集,且拥有较大的表面积,有效分散了Nafion,相当于增加了电极的有效面积,从而在Cu(Ⅱ)的检测实验中取得了较好的效果。使用差式脉冲阳极溶出伏安法(DPASV)对溶液中的Cu(Ⅱ)进行了测量并得到了线性工作曲线,SBA-15/Nafion/GCE的线性范围为1-150μg/L,线性方程为y=0.217x-0.134(R2=0.996)。在实际的应用中,SBA-15/Nafion/GCE也有良好的抗干扰能力。  二、使用二氧化硅为模板包覆聚苯并噁嗪途径合成的N掺杂中空多孔碳球(N-HPCS)拥有平整均一的中空球状结构,而且在球体的表面壳层上散布着轮廓分明的孔道。这一结构结合原位铋膜电镀在使用差分阳极溶出伏安法(DPASV)检测痕量Cd(Ⅱ)显示出很好的性能。在最优实验条件下,使用原位电镀铋膜N掺杂中空多孔碳球(Bi-N-HPCS)修饰的电化学传感器对Cd(Ⅱ)响应良好,线性响应范围从0.5μg L-1到150μg L-1,同时在三倍信噪比下检测限(LOD S/N=3)为0.21μg L-1左右,这一浓度比美国环境保护部(EPA)所给出的安全饮用水标准低了20多倍。基于其出色的检测性能,此电化学组装传感器对监测中体中Cd(Ⅱ)污染有很好的应用前景。  三、通过硬模板法合成了一种原子级掺杂Fe-N结构分散于N掺杂介孔碳表面的(Fe/NOMC)有序介孔碳复合材料,并使用该材料组装了一种能对溶液中低浓度光氧化氢(H2O2)进行检测的无酶电化学传感器。对制备的Fe/NOMC的形态学结构和性质进行了研究,并使用包括透射电子显微镜(TEM)、能量弥散X射线探测器(EDX)、小角X射线衍射仪、氮气吸脱附测试仪在内的实验设备对材料进行了表征。之后,对Fe/NOMC作为电极材料的电化学检测性能进行了研究,将材料修饰于玻璃碳电极(GCE)上,通过循环伏安法和计时电流法的检测不同修饰电极对H2O2浓度变化所产生的信号变化,并由此评价该组装电化学传感器对过氧化氢检测效果的优劣。实验结果表明,Fe/NOMC在进行定量检测溶液中H2O2有着十分优秀的表现,和其他无酶电极材料相比,该材料有着更宽的检测浓度范围(8-23000μM)、更低的检测限(LOD)(5μM)和较快的响应速度(2s内),在其线性范围内,在线性范围内相关系数高达0.998,并且Fe/NOMC的抗干扰能力也十分优异,非常有进行实际应用的价值。
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