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一维纳米聚合物具有比表面积高、导电性能好的特点,因而在电子学、非线性光学、磁学及相关纳米光电子器件上获得广泛应用。在众多导电聚合物中,一维聚苯胺纳米纤维因具有优异的物理化学性能,如较高的电导率、可控的掺杂/去掺杂结构、较好的稳定性以及原料价廉易得、制备方法简单等优点,而成为被研究最多且最有应用前途的导电纳米聚合物之一,它可被用作二次电池的电极材料、超级电容器、电磁屏蔽装置、抗腐蚀涂层、发光二极管、分子导线、气体分离以及某些传感器的敏感材料等。本文用界面聚合法制备了聚苯胺纳米纤维,用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、紫外-可见(UV-Vis)光谱、红外光谱(FTIR)、X-射线衍射(XRD)对其进行了表征。考察了多种合成条件对纳米聚苯胺形貌的影响,研究了葡萄糖氧化酶在聚苯胺纳米纤维表面的固定、直接电子转移以及对葡萄糖氧化的电催化性能。
1. 研究了有机溶剂、掺杂酸的种类,掺杂酸的浓度、反应时间、苯胺单体和氧化剂的浓度对聚苯胺纳米纤维的影响。主要内容如下:结果表明有机溶剂的种类和极性对制备的聚苯胺纳米结构的形貌几乎没有影响,多种有机溶剂制备的纤维直径约为50nm;掺杂酸的种类对纳米聚苯胺的形貌也几乎没有影响,均能得到聚苯胺纳米纤维,但酸的种类对纤维的直径有影响;当酸的浓度高于0.5mol/L时,得到聚苯胺纳米纤维,当酸的浓度低于0.1mol/L时,得到聚苯胺纳米颗粒,当酸的浓度介于0.5-0.1mol/L时,得到聚苯胺纳米纤维和聚苯胺纳米颗粒的混合物;聚苯胺纤维的直径随着反应时间的延长而变大,当反应时间达到6h后,纤维的直径不再随反应时间的延长而变大,并保持为约50nm;当苯胺的浓度低于0.1mol/L 时,生成的产物均是聚苯胺纳米纤维状的,当苯胺的浓度高于0.1mol/L时,生成的产物中既有聚苯胺纳米颗粒(或块),又有聚苯胺纳米纤维,当苯胺浓度高于1mol/L时,得到的产物全是聚苯胺纳米颗粒,这时不能得到聚苯胺纳米纤维;当APS 浓度低于0.5mol/L时,随着水相中APS 浓度的增加,聚苯胺纳米纤维的直径几乎不变,平均直径约为40-60nm,当APS浓度高于0.5mol/L时,聚苯胺为颗粒状,颗粒的直径约为40-50nm。
2. 研究了葡萄糖氧化酶在聚苯胺纳米纤维表面的固定、直接电子转移以及对葡萄糖氧化的电催化性能。将聚苯胺纳米纤维修饰到玻碳(GC)电极表面制备了PANI/GC电极,并通过共价键合的方法将葡萄糖氧化酶(Gox)固定到聚苯胺纳米纤维表面形成Gox-PANI/GC电极;用循环伏安和计时电流法研究了该电极的电化学性能,结果表明,Gox在聚苯胺纳米纤维表面能进行有效和稳定的直接电子转移反应,伏安曲线上表现出一对良好的、几乎对称的氧化还原峰,式量电位为-418mV(pH 7.0,10mV/s),其直接电子转移的表观速率常数为(6.3±1.6)s-1。进一步的实验结果表明,Gox-PANI/GC电极对葡萄糖的氧化具有良好的催化作用,催化电流与葡萄糖浓度在0.01-1.0mmol/L 范围内有线性关系,表现出典型的Michaelis-Menten动力学特征,最低检测限约为0.5μmol/L。
聚苯胺纳米纤维具有良好的生物相容性,是生物酶/蛋白质良好的固定载体,有望在生物电化学传感器、生物燃料电池、生物纳米电子器件等方面得到应用。