新型（类）石墨烯二维层状纳米材料及复合物：制备、性能调控与电化学应用研究

摘要

近年来，二维层状纳米材料石墨烯因其独特的物理、化学和电子性质引发国际研究热潮，在电子、光电器件、能源转换与存储、传感等领域均有研究与应用。伴随石墨烯研究与应用的开展，各种类石墨烯二维层状结构材料（如过渡金属硫化物、氧化物，六方氮化硼等）也引起了人们的广泛研究兴趣。这些层状结构材料因其独特的二维层状晶体结构和高度的各向异性，具有良好的可调控性，可以通过降低维度、插层和功能化修饰方法实现对材料性能的调控。本文以经典的二维层状纳米材料石墨烯和新型类石墨烯材料二硫化钼（MoS2）作为研究对象，通过各种制备技术、性能调控技术和表征手段，重点围绕探讨材料的结构-性质关系，提高材料的电化学性能和拓展电化学应用开展研究。主要工作如下：
　　⑴二维层状纳米材料中，石墨烯相对研究较早，而且具有优异的导电性和大比表面积，所以在电化学领域已经得到广泛研究和应用。本论文着眼于化学修饰石墨烯及其聚苯胺纳米复合材料开展研究，深入探讨了不同种类化学修饰石墨烯的结构与性质之间的关系，以及其在聚苯胺纳米复合材料电化学性能增强方面的作用，并考察了其在电化学传感和超级电容器中的应用价值。本研究主要内容包括：
　　⑵基于不同种类化学修饰石墨烯制备化学修饰石墨烯-磺酸掺杂聚苯胺纳米复合材料，研究化学修饰石墨烯性质差异对纳米复合材料形貌、电化学性质以及DNA电化学传感性能的影响。不同种类化学修饰石墨烯，如氧化石墨烯和各种还原的氧化石墨烯，因表面官能基团数目和缺陷密度等的不同而具有不同的表面化学和导电性能，并会对所制备的纳米复合材料性能产生影响，但目前在此方面缺乏系统研究。为此，我们采用三种不同的化学修饰石墨烯（分别为氧化石墨烯、电还原氧化石墨烯和热还原氧化石墨烯）与经典的导电聚合物磺酸掺杂聚苯胺进行复合，制备了三种化学修饰石墨烯-磺酸掺杂聚苯胺纳米复合材料，详细研究了不同化学修饰石墨烯的结构-性质关系及其对纳米复合材料形貌、电化学性质和DNA传感性能的影响，探讨了决定纳米复合材料电化学活性和DNA传感性能高低的影响因素，并实现了对急性早幼粒细胞白血病 PML/RARA融合基因序列中的18碱基片段的快速、直接、灵敏检测。这对更好地了解不同化学修饰石墨烯的性质差异及其与聚苯胺材料之间的相互作用，并发展高性能的石墨烯-聚苯胺纳米复合材料用于电化学传感领域有积极意义。另外，鉴于其中的热还原氧化石墨烯-磺酸掺杂聚苯胺纳米复合材料在电化学测试过程中表现出典型的电容行为，我们还对其电容性能进行了初步的考察，证明了该纳米复合材料不仅可用于构建电化学传感平台，而且作为电极材料在超级电容器领域也有潜在的应用价值。
　　⑶制备了高导电、高度分级的三维聚苯胺微纳结构，研究了其在超级电容器中的应用，并详细探讨了热还原氧化石墨烯对其电容性能的改善作用。上一体系研究结果表明，热还原氧化石墨烯-聚苯胺纳米复合材料不仅可以用于构建电化学传感平台，而且是良好的超级电容器电极材料。但总结先前文献报道发现，目前用作超级电容器电极材料的聚苯胺大多呈线、棒、管等简单纳米结构，而呈复杂分级结构的聚苯胺研究和应用极少。本体系中，我们通过对聚苯胺的传统化学聚合法制备条件进行简单调控，成功制备出了高度分级的三维聚苯胺微纳结构。该三维分级聚苯胺微纳结构具有出色的导电性和独特的多孔结构，能有效促进电子传递和离子扩散，较简单结构的聚苯胺表现出更加优良的电容性能。但聚苯胺的充放电原理决定了该单纯聚苯胺电极的循环稳定性仍不理想，于是我们以热还原氧化石墨烯作为其支撑材料，制备了热还原氧化石墨烯-三维分级聚苯胺纳米复合材料。对该复合物电极的电容性能进行表征发现，热还原氧化石墨烯的加入提高了电极的比电容和循环稳定性，证明了热还原氧化石墨烯对改善电极材料电容性能的重要作用。
　　⑷MoS2是过渡金属硫化物的典型代表，是经典二维层状纳米材料石墨烯的一种结构类似物。与石墨烯不同的是，MoS2具有较差的内在导电性，这限制了它在电化学传感领域的应用。本文通过发展特殊的制备技术和功能化修饰两种策略提高MoS2材料的电化学活性，拓展了其在电化学传感领域的应用。主要开展了两个体系的工作：超声剥离制备具有高电化学活性的薄层MoS2纳米片，基于其构建免标记型电化学DNA传感平台用于副溶血性弧菌tlh基因片段的灵敏检测。采用简单的超声剥离技术对块体MoS2层状晶体进行剥离和分散，通过超声剥离过程中MoS2材料层数和尺寸的改变，实现对 MoS2电化学性质的调控，制备了具有高电化学活性的薄层MoS2纳米片。基于该薄层MoS2纳米片良好的电化学性质及其与单双链DNA间的不同作用力，构建了可用于DNA固定与杂交检测的免标记型电化学DNA传感平台，成功实现了对目标物副溶血性弧菌tlh基因片段的简单、低成本、高灵敏度电化学检测，检测限低至1.9×10-17M。此外，该传感平台还具有良好的电催化活性，可实现对鸟嘌呤和腺嘌呤的同步电化学检测，这说明该薄层MoS2纳米片在DNA的直接电化学检测中也有潜在的应用价值。该研究为DNA的检测提供了一种新的平台，更重要的是拓展了MoS2在电化学传感领域的应用；采用电还原处理和聚合物表面功能化修饰协同改善MoS2材料的导电性和电化学活性，考察了所制备的纳米复合材料在电化学传感领域的应用。在上一体系研究基础上，通过简单的一步电沉积法同步实现了薄层 MoS2纳米片的电还原和电活性物质黄尿酸在其基面上的聚合，制备了电还原的薄层MoS2纳米片-聚黄尿酸纳米复合材料。研究发现 MoS2的电还原和聚黄尿酸的功能化修饰对 MoS2材料的导电性和电化学活性的提高有协同增强效果。利用该纳米复合材料构建电化学传感平台，实现了对杂环化合物2'-脱氧鸟苷5'-三磷酸（dGTP）和芳香环化合物双酚A（BPA）以及三硝基甲苯（TNT）的简便、快速、灵敏电催化检测，进一步拓展了MoS2在电化学传感领域的应用。

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第一章 绪论

1.1 二维层状纳米材料的定义及种类

1.2 几种典型二维层状纳米材料的结构与性质

1.3 二维层状纳米材料的制备

1.4 二维层状纳米材料的功能化

1.5 二维层状纳米材料的电化学应用

1.6 本课题的意义和研究内容

第二章 化学修饰石墨烯-磺酸掺杂聚苯胺纳米复合材料：形貌、电化学性质和DNA传感性能比较

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

第三章 高导电、高度分级聚苯胺微纳结构在超级电容器中的应用及热还原氧化石墨烯对其性能的改善作用

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第四章 基于高电化学活性薄层MoS2纳米片的免标记电化学DNA传感器

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

第五章 还原的薄层MoS2纳米片/聚黄尿酸纳米复合材料的制备及其传感应用

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文目录及科研获奖

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