微纳结构电极以其高比表面积、高能量密度的特点,在电化学领域得到广泛研究和应用,设计与制备微纳结构的电极材料对提高电化学反应效率、优化电极性能具有非常重要的作用。然而,目前各种研究体系的成分和结构多样,无法对微纳结构的作用进行横向比较和分析,并且所获得的大部分材料的微纳结构都呈现出复杂无序、可控性差的特点,无法对其内部的传质规律进行准确系统的描述。因此制备有序微纳结构的电极材料,研究其电化学性能及内部的扩散行为,对揭示微纳结构影响电化学性能的机理、筛选与设计高效的电极结构具有重大的理论价值与现实意义。蝴蝶作为大自然中亚种最多的物种,其鳞片展现出各种复杂精细的结构,这些结构大多具有微纳尺度、高度有序、连通性好的特点,并且由于种类繁多,形成了庞大的结构体系,为电极材料的设计与制备提供了天然的参考资料与模板。本论文将具有规则有序微纳结构的蝶翅转化为电极材料,研究不同结构对电化学行为的影响,筛选最有效的电极结构,建立扩散域结构模型,模拟电解质在微纳结构中的扩散行为,对结构影响电化学行为的机理进行直观的描述。主要研究内容如下:1.通过基础的单电子交换反应,研究不同蝶翅微纳结构对电极行为的影响,揭示其作用机理。利用碳化-沉积石墨法分别将平板结构翅膜、脊阵列结构的蝶翅、与脊/纳米孔阵列结构的蝶翅,转化为相同成分不同结构的碳电极,以[Fe（CN）₆]^3-/4-为电化学标记物,获得不同电极的循环伏安曲线。相比于平板结构电极,脊阵列结构电极和脊/纳米孔阵列结构电极的氧化还原峰间距(ΔE_pp)分别减小了100 mV和117 mV;氧化峰电流密度(I_op)分别提高了6.0μA/cm²和9.9μA/cm²。表明蝶翅微纳结构,尤其是脊/纳米孔阵列结构,对电化学反应效率具有明显的促进作用。模拟结果显示,相比于平板电极的一维半无限扩散,电解质在脊阵列结构电极中增加了向脊侧壁的横向扩散,而在脊/纳米孔阵列结构电极中则呈现出更加高效的“薄层扩散”行为。该工作表明纳米孔是提高电极性能的有效结构单元之一,同时揭示了结构影响电化学行为的机理,为后续将蝶翅微纳结构引入电化学体系的研究提供了方法的可靠性验证。2.研究三种不同蝶翅微纳结构对甲醇电催化氧化行为的影响,以筛选最有效的电极结构。利用化学镀的方法将大蓝闪蝶层状脊结构的蝶翅,与金裳凤蝶脊阵列结构、脊/纳米孔阵列结构的蝶翅,转化为金属铂。所获得的层状脊结构铂的电化学活性面积为同成分平板对比样的5.0倍;脊阵列结构及脊/纳米孔阵列结构铂的电化学活性面积分别为同成分平板对比样的2.4倍和4.3倍。分析不同结构电极在甲醇酸性水溶液中的循环伏安曲线,发现层状脊结构,脊阵列结构以及脊/纳米孔阵列结构铂的正向氧化峰电流密度分别为平板对比样的5.2倍、2.7倍和3.9倍。说明蝶翅微纳结构大大提高了甲醇电催化氧化的效率,其中层状脊结构的促进效果最为明显。模拟发现,甲醇在层状脊结构中呈现出高效无阻的之字形扩散,并且在脊的层间隙间发生“薄层扩散”,以使甲醇被快速的消耗。该工作阐述了结构如何通过高效传质影响电极的电催化行为,通过对三种蝶翅微纳结构的对比研究,确定层状脊结构为最有效的电极构型之一,有望在电化学领域得到进一步应用。3.利用上述层状脊结构,探索蝶翅微纳结构对电化学检测性能的影响。同样采用化学镀的方法,以大蓝闪蝶蝶翅为模板,制备层状脊结构金,然后用Nafion修饰到玻碳电极表面,对葡萄糖进行无酶恒电位检测。层状脊结构金修饰电极的电化学活性面积以及对葡萄糖的电催化氧化电流峰分别为同成分平板结构电极的4.8倍和5.4倍,在0.21 V恒电位条件下,对葡萄糖的检测灵敏度提高了5.8倍,检测限降低了3.7倍,展现出比国际上同类工作更加优异的性能。模拟结果证明,层状脊结构通过之字形扩散与“薄层扩散”实现对葡萄糖的快速传递与消耗,以达到宽线性范围、高灵敏度、低检测限的电化学检测效果。该工作成功将蝶翅微纳结构引入电化学检测领域,为以后高效传感电极的发展提供了结构原型和借鉴方案。4.在上一条层状脊结构金的基础上,进一步进行表面分子印迹处理,使其具备对特定分子的识别能力,以提高对目标物质检测时的抗干扰性。将对硝基苯酚（p-NP）模板分子与含巯基分子共同修饰到金样品表面,然后去除p-NP,获得对p-NP分子具有高度选择性的传感电极,并用差分脉冲伏安法（DPV）进行检测。相比于选择性差的裸层状脊金,经过表面分子印迹处理的传感电极对p-NP的DPV检测展现出优异的抗干扰性,并且线性范围提高了两个数量级,检测限降低了240倍,优于国内外同类工作的电化学检测性能。该工作将表面分子印迹技术与蝶翅微纳结构相耦合,实现了对特定目标分子高选择性、高灵敏度的检测,并且该方法具有普适性,可以延伸应用到其他分子,是将蝶翅微纳结构普及到电化学检测领域的一次成功实践。5.在规则有序的蝶翅结构上电沉积获得微纳阵列电极,并探索其在电化学检测方面的应用。将具有反V型脊阵列结构的蝶翅碳化作为电极基体,施加沉积电位,利用电场的尖端效应,使银在脊的尖端处优先发生形核长大,最后沿着脊阵列基体形成银微米带阵列,实验发现获得最佳形貌的条件为在-0.9 V下沉积90 s。银微米带阵列对双氧水恒电位检测的线性范围为20μM²3 mM,灵敏度为27.1μA/（mM cm²）,检测限为14μM,达到甚至优于国内外其他银基传感电极对双氧水的检测性能。进一步对反V型脊结构附近的电场分布与银的沉积过程进行模拟,证实了微米带阵列形成的原理是微纳结构附近电场的尖端聚集效应,同时表明了利用其他微纳结构蝶翅作为电沉积基体,获得更精美微纳阵列电极的可能性。综上所述,本论文以多姿多彩的蝶翅作为微纳结构库,利用实验转化与理论模拟相结合的方法,为筛选高效的电极微纳构造,揭示结构提高电化学性能的机理,提供了简单高效、系统可靠的途径,为未来电极材料的结构设计提供了方法借鉴与技术原型。