掺杂碳化硅纳米金刚石的电化学性能研究及其应用

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纳米金刚石在机械、能源等领域应用广泛。在电子领域,纳米金刚石依然具有用途,但由于纳米金刚石属于绝缘体,自身导电性能差,这极大限制了纳米金刚石的应用范围。因此,本论文通过掺杂碳化硅的方式,增强纳米金刚石的导电性,有效改善它的缺陷,使它成为电势窗口更宽、背景电流低、电化学稳定性高的电极材料,在电子领域具有广阔应用,可用来检测有机物抗坏血酸的浓度。本文采用爆轰法制备掺杂碳化硅纳米金刚石(SiC@ND),并研究其电化学性能,制备SiC@ND修饰电极来检测抗坏血酸的浓度,主要的研究结果如下:(1)本文采用爆轰法制备掺杂碳化硅纳米金刚石和纳米金刚石(ND),并采用高氯酸法对SiC@ND和ND进行纯化,对纯化后的SiC@ND和ND分别进行X射线衍射(XRD)、红外光谱(IR)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)表征。XRD结果表明SiC@ND含有金刚石晶相和碳化硅晶相;IR结果表明SiC@ND含有Si-O键;Raman结果表明掺杂碳化硅之后,金刚石含量增加,石墨含量减少;XPS结果表明碳化硅成功掺杂到纳米金刚石中,碳化硅以新的C-O-Si键的形式掺杂到纳米金刚石中,硅原子含量百分比为6.67%,硅元素主要以C-O-Si键和C-Si键两种形式存在;TEM结果表明纳米金刚石分散后以单个粒子存在,没有团聚现象发生。(2)研究SiC@ND、ND修饰电极的电势窗口,SiC@ND修饰电极的电势窗口为3.6V,而ND修饰电极电势窗口为3.1V,与ND修饰电极相比,SiC@ND修饰电极电势窗口增加将近20%,这表明SiC@ND修饰电极的电势窗口更宽,拥有更优异的电化学性能。改变扫描速度,氧化峰电流与还原峰电流的比值接近1,说明K4[Fe(CN)6]在SiC@ND修饰电极上的反应是一个准可逆反应。ip与V1/2呈线性关系,表明K4[Fe(CN)6]在SiC@ND修饰电极上的反应受扩散步骤控制的。研究不同pH(2、7、11)电解液时的电势窗口,结果表明pH为7时SiC@ND修饰电极的电势窗口最宽。交流阻抗测试结果表明ND修饰电极的直线斜率比SiC@ND修饰电极高,SiC@ND电极材料的扩散能力有所下降。在真空条件下,不同温度高温热处理SiC@ND,结果表明高温热处理使金刚石含量降低,石墨含量增加,SiC@ND修饰电极的电势窗口随着石墨含量的增加而增加。(3)SiC@ND、ND修饰电极的线性伏安测试分析,SiC@ND修饰电极的峰电流最大,ND修饰电极的次之,表明SiC@ND修饰电极对抗坏血酸溶液的响应程度更高。在不同抗坏血酸浓度下SiC@ND修饰电极的线性伏安测试分析,氧化峰电流与抗坏血酸的浓度的关系式为:ip(μA)=202.38C0(mM)-0.4615,相关系数为0.998,检出限为6×10-6 M,因此可以利用SiC@ND修饰电极来检测抗坏血酸的浓度。pH对SiC@ND修饰电极电势窗口有重要影响,随pH的改变而改变,在酸性和中性条件下,pH为5时SiC@ND修饰电极的响应程度最高。不同温度处理下SiC@ND修饰电极检测抗坏血酸的浓度,900℃时氧化峰电流最强,对抗坏血酸的响应程度最高。重现性测试表明制备的SiC@ND修饰电极重现性较好。
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