少层硒化铋纳米片及其纳米金-硒化铋复合材料的制备和应用

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硒化铋(Bi2Se3)作为新一代的拓扑绝缘体,它拥有简单的能带结构,大的能隙且易于合成,属于最简单的强拓扑绝缘体,其表面具有稳定金属态。这些特性使其受到了广泛的关注。相比于Bi2Se3体材料,少层,甚至单层的Bi2Se3纳米片具有更好的应用前景。论文中采用液相剥离的方法,剥离体材料制备少层Bi2Se3纳米片。分离出的少层Bi2Se3纳米片在可见光区展现出了有趣的光学性质,并随着片层大小和厚度的不同,光学吸收性质也发生变化。同时,在液相剥离的过程中,本文通过材料自发的氧化还原方式,原位自发制备纳米金-硒化铋复合材料。通过表征手段,观察到了颗粒均一,粒径较小,高密度的纳米金(AuNPs),并将其用于构建电化学葡萄糖传感器。主要研究结果如下:  1.以N-甲基吡咯烷酮(NMP)或壳聚糖醋酸溶液(CS-HAc)为溶剂,在超声波的辅助下,30 h可以获得稳定分散的少层Bi2Se3纳米片。表征结果证明所制备Bi2Se3纳米片表面平整,光滑,有褶皱感。尺寸大小主要分布在数百纳米,厚度约为3-4nm。  2.不同离心转速(2000 rpm、8000 rpm、13000 rpm)分离出的Bi2Se3纳米片,展现出了不同的可见光吸收峰。在NMP中,当它的大小从500 nm降至100 nm左右,厚度从10nm降至2nm左右时,其最大的吸收峰值发生了蓝移,从613nm偏移至419nm处。在CS-HAc中同样有着类似的现象。  3.通过理论计算发现不同类型的Bi2Se3纳米片展现出不同的能隙。在NMP里,可以计算得到其能隙值分别为1.22 eV(2000 rpm)<1.39 eV(8000 rpm)<1.50eV(13000 rpm)。在CS-HAc中,其能隙值为1.33 eV(2000 rpm)<1.51 eV(8000rpm)<1.59 eV(13000 rpm)。同样,通过理论分析,得知能隙发生变化的主要原因是由于纳米材料的量子尺寸效应。  4.利用NMP或者CS-HAc剥离制备的Bi2Se3纳米片溶液与氯金酸溶液混合后,能够在Bi2Se3纳米片层上原位还原出AuNPs。因此,在超声波的辅助下,在制备少层Bi2Se3纳米片的同时,合成出Bi2Se3/Au复合材料。表征结果显示,Bi2Se3/Au复合材料中的AuNPs高密度分布,粒径均一较小,约为6nm左右,并计算出AuNPs的含量约为9.14 wt%。通过反应机理探究,我们可以初步地认为 Bi2Se3纳米片能够与HAuCh发生反应,主要是由于Bi2Se3纳米片存在着缺陷,较易氧化,从而促使AuNPs原位还原在Bi2Se3纳米片上,自发形成Bi2Se3/Au复合材料。  5.将Bi2Se3/Au复合材料修饰玻碳电极,研究了Bi2Se3/Au的电化学性能,构建葡萄糖电化学传感器。结果表明其可以很好地促进电极与电解液之间的电子传递速度,具有良好的导电性,因而也表现出了更高的电化学活性。其Bi2Se3/Au修饰玻碳电极的有效活性面积是裸玻碳电极的1.77倍。在含葡萄糖的PBS溶液中,我们实现了对葡萄糖溶液的电化学检测,线性检测范围为1-10 mM(R2=0.995),检测限为0.188 mM。电极的灵敏度为12.03μAmM-1 cm-2。
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