氧化亚铜—碳纳米管复合纳米材料的制备及应用于超级电容器和生物传感器

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铜基氧化物具有低成本、环境友好、电化学性能优异等优点,使得其成为超级电容器和生物传感器应用中非常有前景的电极材料。但是传统的铜氧化物超级电容器和葡萄糖传感器在实际应用中仍存在导电性差的缺陷,限制了其电容和传感性能。本论文采用离子液体辅助溅射沉积一步法制备氧化亚铜-碳纳米管复合材料,在超级电容器和生物传感器领域中表现出了非常优异的性能。主要工作包括以下方面:一、本文运用一步离子液体辅助溅射沉积法制备出了氧化亚铜-碳纳米管复合纳米材料(Cu2O-MWCNTs)。此方法区别于传统的化学方法制备金属纳米颗粒,制备过程中避免了表面活性剂、聚合物等稳定剂的引入,并且无需对碳纳米管进行表面处理或修饰,操作简单高效,通过优化制备条件,获得最优合成条件,即采用1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸盐(BmimBF4)离子液体、加热温度为250℃搅拌2 h,获得直尺寸小(9 nm)、尺寸均一、结晶性好的氧化亚铜纳米颗粒并高负载量、均匀地负载在碳纳米管上形成氧化亚铜-碳纳米管复合纳米材料。(2)将合成的Cu2O-MWCNTs复合材料运用到超级电容器中,制备成超级电容器的正极材料,对所制备的复合材料电极用NaBH4还原处理引入氧空位进一步提升其电化学性能,三电极法测试结果表明,经还原处理后的r-Cu2O-MWCNTs在扫描速度为5 mV/s时,比电容值高达790 F/g,循环稳定性高(电流密度为10A/g下充放电操作20 000次比电容值保持率为92.5%),性能领先于同类铜基正极材料。将该正极材料与负极材料活性炭组装成非对称电容器,该非对称电容器在功率密度为825.27 W/kg时能量密度达到64.19 Wh/kg,在功率密度为10.04 kW/kg时能量密度为19.52 Wh/kg,功率与能量性能优异,可实际应用于LED光源驱动的电源。(3)所制备的Cu2O-MWCNTs复合材料也表现出优异的无酶葡萄糖检测性能。通过时间-电流测试得出其最佳工作电压为0.55 V,对无酶葡萄糖检测的灵敏度高达10.296 mA·mM-1·cm-2,检测极限较低(0.1μM),并且Cu2O-MWCNTs电极材料具有良好的长期稳定性,经过19天的测试后该电极的电流响应仍保持在95%以上,对人体血液中抗坏血酸、氯化钠、尿酸、乳糖、尿素等物质具有很强的抗干扰性,有望实际应用于无酶葡萄糖检测电化学传感器中。
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