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石墨烯修饰电极的电化学性能研究

作　者: 杨顺龙
导　师: 叶建山
学　校: 华南理工大学
专　业: 应用化学
关键词: 石墨烯电化学聚苯胺电极尺寸自组装膜电极
分类号: O646.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

石墨烯(Graphene)是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,是构建零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨等其他碳质材料的基本单元,具有许多优异而独特的物理、化学和机械性能,在微纳电子器件、光电子器件、新型复合材料以及传感材料等方面有着广泛的应用前景,基于石墨烯的相关研究也成为目前电化学领域的热点研究领域之一。本论文围绕石墨烯的不同修饰电极条件,结合电化学基础研究,开展了石墨烯及其相关的电化学性能研究。具体内容归纳如下:(1)将石墨烯与具有良好导电性能的聚苯胺(PANI)复合,研究了石墨烯/聚苯胺复合物修饰电极的电化学性能。利用石墨烯与聚苯胺之间电子给体与电子受体的相互作用,实现了聚苯胺在中性甚至强碱性溶液中的电化学活性,并利用红外光谱、拉曼光谱和紫外光谱进行了可能的机理探讨。石墨烯/聚苯胺复合物材料在中性溶液里的电化学活性,在生物传感领域具有可能的应用空间;同时,在不同pH溶液里的电化学活性也为石墨烯/聚苯胺复合物材料在pH传感中提供了可能的应用空间。(2)将石墨烯与具有电绝缘性能的凡士林混合,研究了石墨烯/凡士林膜电极的电化学性能。循环伏安测试表明:采用10.0 mg/mL、5.0 mg/mL和1.0 mg/mL的石墨烯/凡士林修饰电极可以依次得到常规尺寸电极、亚微尺寸电极和微尺寸的纳米电极阵列,并且通过简单混合所制备的石墨烯/凡士林膜电极具有良好的电化学活性和稳定性。作为新型碳材料的膜电极,石墨烯/凡士林膜电极在基础电化学研究和应用中具有一定的潜在价值。(3)将石墨烯组装在具有完全电绝缘性能的硫醇自组装膜电极上,研究了石墨烯/硫醇自组装膜电极的电化学性能。交流阻抗数据表明,随着组装时间的增加,石墨烯/硫醇自组装膜电极的电化学阻抗逐渐降低,表明石墨烯在硫醇自组装膜上是一个可控的组装过程。循环伏安测试还表明,石墨烯的组装时间是120 min和5 min时,可以分别得到常规尺寸和微尺寸纳米电极阵列的石墨烯/硫醇自组装膜电极,而且对抗坏血酸、多巴胺、尿酸具有较好的电催化活性。同时,为了探讨可能的实验机理,我们讨论了电子传递的可能原因以及影响自组装膜电极双电层结构的两个因素。结果表明随着硫醇中碳链长度的增加,电子传递速率逐渐降低,氧化还原峰电位的差值逐渐增大;不同碳材料的电子转移速率呈现为:石墨烯>多孔碳>石墨。这种采用简单而有效的方法制备的石墨烯/硫醇自组装膜电极,在电化学理论研究和实际应用中具有较好的前景。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-13
第一章绪论  13-28
  1.1 石墨烯的定义及其发现  13-14
  1.2 石墨烯的研究进展  14-23
    1.2.1 石墨烯的基本性质  14-15
    1.2.2 石墨烯的制备  15-19
    1.2.3 石墨烯的应用  19-23
      1.2.3.1 石墨烯在纳米电子器件领域中的应用  19
      1.2.3.2 石墨烯在气体传感器领域中的应用  19-20
      1.2.3.3 石墨烯在电化学领域中的应用  20-23
  1.3 石墨烯复合材料的研究进展  23-26
    1.3.1 石墨烯/无机复合材料的研究进展  23-24
    1.3.2 石墨烯/有机小分子复合材料的研究进展  24-25
    1.3.3 石墨烯/聚合物复合材料的研究进展  25
    1.3.4 石墨烯/生物分子复合材料的研究进展  25-26
  1.4 本文构思  26-28
第二章石墨烯/聚苯胺复合材料的电化学性能研究及可能的机理探讨  28-39
  2.1 引言  28-29
  2.2 实验部分  29-31
    2.2.1 实验试剂和材料  29
    2.2.2 实验仪器和设备  29-30
    2.2.3 石墨烯的制备  30
    2.2.4 聚苯胺的制备  30
    2.2.5 石墨烯/聚苯胺复合材料的制备  30-31
    2.2.6 电极的制备及电化学测试  31
  2.3 结果与讨论  31-38
    2.3.1 石墨烯/聚苯胺复合材料的SEM表征  31-32
    2.3.2 石墨烯/聚苯胺复合材料的电化学性质  32-34
    2.3.3 石墨烯/聚苯胺复合材料电化学活性的可能机理  34-37
    2.3.4 石墨烯/聚苯胺复合材料对NADH的电催化应用  37
    2.3.5 石墨烯/聚苯胺复合材料在pH传感中可能的应用  37-38
  2.4 本章小结  38-39
第三章石墨烯/凡士林膜电极的制备及其电化学性能研究  39-47
  3.1 引言  39-40
  3.2 实验部分  40-41
    3.2.1 实验试剂和材料  40
    3.2.2 实验仪器和设备  40
    3.2.3 石墨烯/凡士林膜电极的制备  40-41
  3.3 结果与讨论  41-46
    3.3.1 常规尺寸的石墨烯/凡士林膜电极的电化学性能  41-43
    3.3.2 亚微尺寸的石墨烯 /凡士林膜电极的电化学性能  43-44
    3.3.3 微尺寸的石墨烯/凡士林膜电极阵列的电化学性能  44-46
  3.4 本章小结  46-47
第四章石墨烯/硫醇自组装膜电极的电化学性能研究及其理论根据的探讨  47-63
  4.1 引言  47-48
  4.2 实验部分  48-49
    4.2.1 实验试剂和材料  48
    4.2.2 实验仪器和设备  48-49
    4.2.3 石墨烯/硫醇自组装膜电极的制备  49
    4.2.4 电化学实验方法  49
  4.3 结果与讨论  49-62
    4.3.1 Graphene/C_(18)H_(37)SH自组装膜电极的表征  49-51
    4.3.2 Graphene/C_(18)H_(37)SH自组装膜电极的电化学性质  51-56
      4.3.2.1 C_(18)H_(37)SH自组装膜上可控吸附石墨烯  51-52
      4.3.2.2 Graphene/C_(18)H_(37)SH自组装膜电极具有可调的电极尺寸  52-55
      4.3.2.3 Graphene/C_(18)H_(37)SH自组装膜电极对AA、DA、UA的电化学催化  55-56
    4.3.3 Graphene/C_(18)H_(37)SH自组装膜电极的可能的机理探讨  56-62
      4.3.3.1 探索Graphene/C_(18)H_(37)SH自组装膜电极电子传递的可能原因  56-58
      4.3.3.2 探索Graphene/C_(18)H_(37)SH自组装膜电极电子传递的可能机理  58-60
      4.3.3.3 C_(18)H_(37)SH自组装膜电极最外层材料对电子传递的影响  60-61
      4.3.3.4 石墨烯/硫醇自组装膜电极中碳链长度对电子传递的影响  61-62
  4.4 本章小结  62-63
结论  63-64
参考文献  64-77
攻读硕士学位期间取得的研究成果  77-78
致谢  78

石墨烯修饰电极的电化学性能研究

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