基于金属-有机框架化合物衍生碳的电化学传感器研究

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金属-有机框架化合物(Metal-organic framework,MOF)是一类由无机金属离子与有机配体通过配位相互作用而形成具有周期性结构的晶态多孔材料。MOF材料具有表面积高、孔径可调及开放性金属位点多等优点,在传感器、气体存储/分离、催化和能源等应用领域潜力巨大,近年来引起了研究者的普遍关注。但MOF材料通常存在稳定性低和导电性差等缺点,这大大地制约了其在上述领域的应用。相比之下MOF衍生碳材料兼备MOF材料的比表面积大、孔隙率高和催化位点多以及碳材料的导电性好、稳定性高等优势,在以上应用中往往表现出更加优异的性能。本论文将MOF衍生碳材料与石墨烯材料结合,通过在氧化石墨烯(GO)片上原位生长MOF纳米晶体及高温碳化还原的方法,获得了两种具有不同结构的MOF衍生碳修饰的还原氧化石墨烯(rGO)材料,并基于此两种复合材料,分别构建了可用于重金属离子、抗生素等典型环境污染物检测的电化学传感器。本论文的主要工作有:基于ZIF-67C@rGO的甲硝唑传感器的构建:通过一步室温溶剂热的方法,以GO作为原位合成沸石咪唑酯有机框架化合物ZIF-67(Zeolitic imidazole framework,ZIF)的基底,随后通过高温热解后转化为ZIF-67衍生多孔碳与rGO的复合材料(ZIF-67C@rGO)。通过调整前驱体中GO的质量,合成了一系列具有不同rGO骨架的ZIF-67C@rGO-x。由于ZIF-67C@rGO-0.06具有大的比表面积、分级孔径、及Co/N共掺杂活性位点,ZIF-67C@rGO-0.06在作为电化学检测甲硝唑(MNZ)的电极修饰材料时表现出优异的传感性能:线性范围宽(0.51000μM)和检出限低(0.05μM)。基于ZIF-8C@rGO的邻苯二酚和对苯二酚传感器的构建:为了提高MOF纳米颗粒在GO基底上的分散性,及拓展MOF与石墨烯复合材料作为电化学传感器修饰电极的应用。在本章工作中,结合ZIF-8衍生碳和rGO的优点,开发了ZIF-8衍生纳米碳颗粒(ZIF-8C)嵌入rGO的复合材料(ZIF-8C@rGO),当作为电极修饰材料用于邻苯二酚(CC)和对苯二酚(HQ)的电化学测定时,基于ZIF-8C@rGO的传感器表现出在0.570μM的线性范围,HQ和CC的检出限分别为0.073μM和0.076μM。基于N-PC@rGO的铅离子和镉离子传感器的构建:基于丝网印刷电极(Screen-Printed Electrode,SPE)的微型传感器是一种快速、简便、经济的新兴工具。未修饰的SPE存在灵敏度低、稳定性和再现性差等缺点,而对SPE进行修饰可以提高其对重金属离子的检测性能。在这章工作中,以上一章制备的电化学性能最优的材料作为SPE修饰物,结合铋离子和Nafion膜的协同作用,用以提高该传感电极对于镉离子和铅离子的电化学检测性能。在优化的实验条件下构筑的Nafion/Bi/N-PC@rGO/SPE能够实现对于镉离子和铅离子的同时检测,其中线性范围为170μg L-1,最低检测限分别达到0.382μg L-1和0.648μg L-1
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