功能性碳纳米纤维材料的制备及应用研究

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化学修饰电极具有加快电子传递速率、对待测物质有较好的选择性、增强待测物的电催化活性等特点,将其与电化学检测分析方法相结合可以将修饰材料的特定反应与检测方法的灵敏度结合起来,从而提高检测方法的选择性和灵敏度。碳纳米纤维(CNF)由于其耐腐蚀性好、导电性好和孔隙率高等优点而受到越来越多的关注,功能改性后的CNF因具有更大的比表面积和大量官能团等特点从而成为性能优良的电极修饰材料。本文以静电纺丝得到的CNF为基础,采用不同的改性方法对CNF进行功能性制备,从而得到具有不同功能特性的复合CNF材料,结合场发射扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、激光共焦拉曼光谱(Raman)、X射线衍射仪(XRD)、比表面与孔隙度分析仪(BET)等手段对合成材料的形貌、结构、元素组成等进行表征分析,并进一步探究了这些材料在化学修饰电极领域的应用,具体内容如下:1.采用静电纺丝技术,以聚丙烯腈(PAN)为纺丝前驱体、蒙脱土为支撑剂制备出三维碳纳米纤维并将其用于修饰电极建立了一种电化学检测Cu2+的新方法。用场发射扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和拉曼检测(Raman)对材料进行表征。采用差分脉冲伏安法研究了Cu2+在修饰电极上的电化学行为,实验结果表明,该材料可以增加电极表面的活性位点并且能提高金属离子的传递速率,因此在最佳实验条件下,Cu2+的氧化峰电流值与浓度呈现良好的线性关系(y=0.076x-0.110,R2=0.999,y=0.193x-1.770,R2=0.998)和较低的检出限(0.4μg·L-1(S/N=3)),并且修饰电极具有较高的稳定性和选择性。对自来水样品中Cu2+进行检测,回收率为97.63%-103.81%。2.将三维碳纳米纤维用于修饰玻碳电极,建立了一种电致化学发光检测盐酸地芬尼多的新方法。采用循环伏安法(CV)和电化学发光法(ECL)研究了盐酸地芬尼多与联吡啶钌(Ru(bpy)32+)体系的电化学行为和电致化学发光(ECL)行为。结果表明,体系在修饰电极上的发光强度是裸电极的60倍左右,最佳条件下,盐酸地芬尼多的浓度与ECL强度在3×10-8-2×10-5 mol·L-1范围内呈现良好的线性关系,线性方程为y=868.86x+61.04(R2=0.999),检出限为8.64×10-10mol·L-1(S/N=3)。对盐酸地芬尼多片样品进行检测,回收率为98.99%-102.28%。3.采用静电纺丝技术,以聚丙烯腈(PAN)为纺丝前驱体制备出具有高比表面积的碳纳米纤维,将其修饰于玻碳电极表面成功建立了电致化学发光检测阿奇霉素的新方法。用场发射扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼检测(Raman)、X射线衍射仪(XRD)、比表面与孔隙度分析仪(BET)对材料进行表征,证明材料为连续、均匀的纤维。实验考察了阿奇霉素与Ru(bpy)32+体系的电化学行为和电致化学发光行为,结果表明,体系在修饰电极上的发光强度是裸电极的35倍左右。在最佳实验条件下,阿奇霉素的浓度与发光强度在8.0×10-8-1.0×10-4 mol·L-1范围内呈现良好的线性关系,线性方程为y=108.60x+128.93(R2=0.999),检出限为6.52×10-8mol·L-1(S/N=3)。对阿奇霉素胶囊进行检测,回收率为98.08%-101.76%。4.采用静电纺丝技术,以聚丙烯腈(PAN)为纺丝前驱体、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为造孔剂制备出N,P共掺杂多孔碳纳米纤维复合材料,将其修饰于玻碳电极表面成功建立了电致化学发光检测盐酸赛庚啶的新方法。用场发射扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼检测(Raman)、X射线衍射仪(XRD)、比表面与孔隙度分析仪(BET)对材料进行表征,证明材料具有多孔结构且N、P成功掺入材料中。实验考察了盐酸赛庚啶与联吡啶钌体系的电化学行为和电致化学发光行为,由于该传感器比表面积大、活性位点多、能够促进电子转移,因此具有较高的电催化活性和灵敏度。结果表明,在修饰电极上体系的发光强度大概是裸电极的55倍。在最佳实验条件下,1.0×10-7-1.0×10-5mol·L-1范围内的盐酸赛庚啶与ECL强度具有良好的线性关系,线性方程为y=175.83x+8.49(R2=0.999),检出限为2.89×10-8 mol·L-1(S/N=3)。对盐酸赛庚啶片进行检测,回收率为99.35%-100.64%。
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