Ti3C2Tx/NiCo-LDH纳米复合材料的制备及超电、葡萄糖传感性能研究

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随着人类对能源利用和健康检测问题的重视,廉价、高性能的储能材料以及医用传感材料的需求急剧增加。层状双金属氢氧化物(Layered Double Hydroxide,简称LDH)是一种层状结构的粘土材料,它独特的大比表面积以及层间阴离子可交换等特性使其在能量存储、传感、污染吸附、催化以及药物载体等诸多领域具有重要的应用价值。NiCo-LDH具有原材料丰富、价格低廉、比表面积大的特点,且Ni和Co两个元素均具有多重氧化态,氧化还原活性高,因此,国内外研究者对其电化学储能及葡萄糖传感性能进行了一些研究。但NiCo-LDH的导电性差,限制了其电化学性能的提高。Ti3C2Tx是典型的MXene材料,具有二维层状结构、高导电性、优异的稳定性和较好的亲水性。将两种材料复合,综合其优势,有望获得高性能的超电及葡萄糖传感材料。本文通过水热法制备出Ti3C2Tx/NiCo-LDH纳米复合材料。采用多种检测手段对其形貌、结构以及成分进行表征,最后分别对该材料的储能以及葡萄糖传感性能进行了研究,并进行了非对称超级电容器的制作及点亮LED的应用实验。主要研究结果如下:(1)采用水热法将Ti3C2Tx纳米片与NiCo-LDH复合,制备了Ti3C2Tx/NiCo-LDH复合材料。研究了Ti3C2Tx的加入量对复合材料形貌的影响,通过形貌表征发现:加入5mg Ti3C2Tx的复合材料中NiCo-LDH纳米片发生聚集堆叠,而加入10mg Ti3C2Tx的复合材料呈现明显的三维多孔结构。当Ti3C2Tx的含量增加到20 mg甚至30 mg时,NiCo-LDH纳米片阵列的孔径逐渐变大以至于不能完全包裹覆盖Ti3C2Tx。(2)研究了Ti3C2Tx的加入量对Ti3C2Tx/NiCo-LDH复合材料的超级电容器性能的影响。发现:加入10 mg Ti3C2Tx的复合材料(T10/LDH)具有最优异的电化学性能。当电流密度为2 A/g时,T10/LDH电极呈现最高比电容为730 F/g;在电流密度为10A/g时,该电极比电容为580 F/g,优于NiCo-LDH(340 F/g),T5/LDH(420 F/g),T20/LDH(480 F/g)和T30/LDH(312 F/g);当电流密度升至20A/g时,T10-LDH电极的比电容降至480F/g(电容保留率为65.9%)仍超过其他四种电极,由此证明T10/LDH电极具有良好的倍率特征。另外该电极在4 A/g的电流密度下经过2000次循环后电容保持率为初始电容的81%,因此该电极具有较好的稳定性。由T10/LDH电极与活性炭电极构建的非对称超级电容器在800 W/kg的功率密度下显示40.22 Wh/kg的能量密度。此外,两个串联的ASC可以在充电后点亮绿色发光二极管,展现出实际应用价值。(3)研究了Ti3C2Tx的复合对NiCo-LDH材料的葡萄糖传感性能的影响。发现:Ti3C2Tx/NiCo-LDH纳米复合材料线性范围为0.002~4.096 m M、检测极限为0.53μM、电流响应时间为3s,而纯NiCo-LDH线性范围为0.002 mM~1.096 mM、检测极限为0.969μM、电流响应时间为7s,因此高导电的Ti3C2Tx的加入拓宽了检测电极的线性范围,降低了检测电极的响应时间并且获得更低的检测极限。(4)研究了Ti3C2Tx/NiCo-LDH的非酶葡萄糖传感器的选择性,再现性以及稳定性,发现:Ti3C2Tx/NiCo-LDH复合材料对Na Cl、果糖、乳糖等干扰物质的响应电流远小于对葡萄糖的响应电流,因此该材料对葡萄糖具有良好的选择性。相同条件下制备的7根电极分别对1 mM葡萄糖产生的响应电流的相对标准偏差(RSD)为3.59%,表明该电极具有出色的再现性。同一电极在7天后对1 m M葡萄糖的电流响应为初始值的94.3%,在15天后为原始值的92.5%,表现出较好的稳定性。本文通过简单的水热法合成了Ti3C2Tx/NiCo-LDH纳米复合材料,并且研究了其在超级电容器以及非酶葡萄糖传感器方面的应用。这些研究结果拓宽了NiCo-LDH基复合材料的应用领域,对制备高性能的能量存储器件和快速准确的非酶葡萄糖传感器件具有重要的参考价值。
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