多孔碳材料的制备及其构建环境污染物电化学传感器

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二羟基苯异构体作为化工原料,广泛应用于染料、化妆品、农药、医药等领域。因其毒性高、分布广、降解难以及生物富集性,进入生态环境后会造成环境污染,通过直接或间接的方式进入人体,严重危害人体健康,对人类生命造成威胁。此外,农药也是重要的环境污染物,广泛用于农业生产当中,对人类生命健康也构成潜在的威胁。这些环境污染物即使在较低的浓度下也有可能对人体造成不可逆的伤害。因此,建立简单、快速、高灵敏的环境污染物检测的新方法尤为重要。电化学传感器具有仪器便携、操作简单、省时、灵敏度高等优点,是一种重要的环境监测方法,其传感性能很大程度上是由传感界面来决定,需要对电极进行设计来构建传感界面。近年来,多孔碳具有成本低、导电性好、比表面积大、孔结构丰富、表面易于功能化、反应活性高等特点,在电化学领域受到广泛关注。本文基于多孔碳构建了三种不同的电化学传感界面,利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、N2物理吸附-脱附、拉曼光谱、X-射线粉末衍射(XRD)等技术获取多孔碳材料的结构信息,用循环伏安法(CV)和交流阻抗法(EIS)对多孔碳材料的电化学性能进行研究,探究多孔碳材料的结构与其电化学传感性能之间的构效关系,获得电化学传感性能增强的作用机理。本文开展了如下工作:1.基于3D分级多孔碳构建了高灵敏同时检测二羟基苯异构体电化学传感器。该工作以海藻酸钠(SA)为碳前驱体,直接碳化制备多孔碳,通过不同碳化温度获得一系列不同结构的多孔碳材料(SA-T),发现所制备的多孔碳材料是一种同时具有微孔、介孔和大孔结构的3D分级多孔碳,碳化温度在900℃时,SA-900的比表面积高达1572.4 m2·g-1。将N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为3D分级多孔碳材料的分散剂来制备均匀分散的悬浮液,将其修饰到玻碳电极(GCE)表面来构建电化学传感界面并用于同时检测邻苯二酚(CC)、间苯二酚(RC)和对苯二酚(HQ)。其中,SA-900对CC、RC和HQ具有较强的电催化性能,在优化条件下,该传感器在同时检测CC、RC和HQ中的检出限分别为0.0303μM、0.3193μM和0.0183μM。2.基于不同辅助剂辅助壳聚糖制备碳材料及其构建高灵敏同时检测二羟基苯异构体电化学传感器。该工作以壳聚糖(CS)作为碳前驱体,利用三种辅助剂(Na Cl、Na OH、Na2CO3)辅助壳聚糖制备碳材料,发现Na Cl辅助壳聚糖制备的碳材料(CS-Na Cl)的结构与壳聚糖自身衍生的碳材料没有太大变化,而Na OH和Na2CO3的引入使壳聚糖衍生碳材料具有微孔、介孔和大孔结构,同时比表面积分别达到632.3 m2·g-1(CS-Na OH)和781.8 m2·g-1(CS-Na2CO3)。基于CS-Na2CO3构建的电化学传感界面(CS-Na2CO3/GCE)对CC、RC和HQ具有优异的电催化性能,检出限分别为0.0168μM、0.2904μM和0.0121μM。3.基于碳氮键断裂制备本征缺陷多孔碳及其构建多菌灵农药电化学传感器。该工作以1,10-邻菲啰啉作为氮源和碳源,Na2CO3为辅助剂,制备氮掺杂多孔碳(N-PC),然后通过高温使碳氮键断裂来形成缺陷位,最终获得本征缺陷多孔碳(D-PC),发现D-PC的比表面积(1508.9 m2·g-1)与N-PC(732.0 m2·g-1)相比显著增大。经高温处理后,D-PC的碳含量高达99.06%。在多菌灵农药的分析应用中,D-PC/GCE比N-PC/GCE展现出更优异的电化学传感性能,线性范围为0.01~1.00μM,检出限为0.0061μM。
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