氨基化石墨烯-卟啉MOF纳米复合材料的制备及其在电化学传感中的应用

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摘 要

本文利用简易的超声法合成了一种新颖的氨基化石墨烯-卟啉(NH₂-G-FeP)_n 金属-有机框架（MOF） 纳米复合材料，并使用扫描电子显微镜（SEM）、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、紫外-可见吸收光谱(UV)和电化学阻抗谱(EIS)对其进行表征。这种基于氨基化石墨烯的平台，用具有刚性结构的卟啉进行修饰的新型纳米复合材料，不仅增强了稳定性，而且还保留了原始材料的突出比表面积和良好导电性等优良性质。在氨基化石墨烯和卟啉的共同作用下，这种复合材料对过氧化氢（H₂O₂）表现出了良好的电催化性能。利用它的这一性质，可以实现在低电位下对H₂O₂的高灵敏度安培检测。该传感器的线性范围为0.2-150 μM，检测限为0.1 μM（S/N=3），因而在电化学传感中具有巨大的应用潜力。

关键词: 氨基化石墨烯，卟啉，MOF，过氧化氢

ABSTRACT: Aminated Graphene/Porphyrin (NH₂-G-FeP)_n of metal organic framework (MOF) nanocomposits was synthesized by a simple ultrasonic method, the achieved composites were characterized with scanning electron microscope (SEM), fourier-transformation infrared (FTIR) spectra, UV-vis absorption spectra (UV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The new nanocomposites which were decorated by porphyrin with a rigid structure at the platform of aminated graphene not only strength the stability. But also remained the outstanding surface area and good conductivity of the original material. Due to the synergic effect between NH₂-G and the porphyrin, the nanocomposite showed excellent electrocatalytic activity toward the reduction of hydrogen peroxide (H₂O₂), thus leading to highly sensitive amperometric sensing at low applied potential. The sensor for H₂O₂ showed a linear range from 0.2 μM to 150 μM with a detection limit of 0.1 μM at signal-to noise ratio of 3, thus held great promise for routine sensing applications.

Key words: Aminated Graphene; Porphyrin; MOF; Hydrogen peroxide

目 录

1 前言 3

1.1 石墨烯简介 3

1.2卟啉简介 3

1.3 本课题的主要内容及意义 3

2 实验部分 5

2.1 试剂 5

2.2 仪器设备 5

2.3 (NH₂-G-FeP)_n MOF纳米复合材料的合成 6

2.4 (NH₂-G-FeP)_n MOF修饰电极的制备 6

3 结果与讨论 6

3.1 (NH₂-G-FeP)_n MOF纳米复合材料的表征 6

3.2 (NH₂-G-FeP)_n MOF纳米复合材料的电化学性能 7

3.3 (NH₂-G-FeP)_n MOF修饰电极对H₂O₂的安培响应 9

结论 10

参考文献 11

致谢 13

1. 前言

1.1 石墨烯简介

石墨烯——多维碳材料家族的最新成员，作为一种常见的二维晶体，它始于零维的富勒烯（C₆₀）、一维的碳纳米管（CNTs），并结束于三维的石墨材料，可以说石墨烯填充了二维碳材料的空白。因此很长一段时间，科学家一直在探索单一的石墨烯片，但是直到2004年，Manchester大学的Geim小组^[1]才首次用机械剥离法获得了单层或薄层的新型二维原子晶体—石墨烯。自从2010年日本科学家铃木彰、根岸英一和美国科学家理查德-海克因开发更有效的连接碳原子以构建复杂分子的方法而获得诺贝尔化学奖之后^[2]， “碳”材料开始越来越多地受到人们的关注，也进而引发了一场“碳材料”的研究热。

石墨烯具有各种优异的性能，例如其独特的表面积、优良的导电性、较低的毒性、良好的相容性、优异的光稳定性等，但石墨烯也不都是优点，由于石墨烯结构完整，化学稳定性高，其表面呈惰性状态，与其它介质（如溶剂等）的相互作用较弱，且各石墨烯纳米片之间存在较强的范德华力和静电力等，容易产生聚集，使其在水及常见的有机溶剂中难于分散^[3]，从而限制了石墨烯在诸多领域中的应用。因此，突破石墨烯性质方面的限制就必须要对石墨烯进行改性，通过对其进行化学改性，制备出修饰后的石墨烯纳米材料，该类材料最大程度上保留了石墨烯的特性，与此同时引入了一些其他材料的有意的特性，从而进一步地拓展了石墨烯的研究及其应用领域。

1.2卟啉简介

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