单壁碳纳米管的制备分离及在修饰电极上的应用初探

论文摘要

单壁碳纳米管（SWCNT）凭借独特的结构和特殊的物理、化学性质,而具有优异的电学、力学、热学性能,在电子器件、碳纳米管增强复合材料、生物医学和军事等领域有着广阔的应用前景。然而,现有的制备方法只能得到不同手性和管径的金属性（m-）和半导体性（s-） SWCNT的混合物,这在很大程度上限制了SWCNT在诸如电子学和光电学等领域的进一步研究与应用。因此,如何有效地分离m-SWCNT和s-SWCNT,成为当前碳纳米管研究工作所面临的巨大挑战。本文研究的主要内容如下:1)以CH4作为碳源,Co/MgO作为催化剂,利用化学气相沉积法（CVD）制备SWCNT,通过调节反应温度、气体流量等因素优化制备条件。对粗制SWCNT采用酸化-氧化法进行提纯,得到了高质量的SWCNT。2)采用琼脂糖凝胶电泳技术成功分离m-SWCNT和s-SWCNT,并利用拉曼光谱、吸收光谱等测试手段对分离结果进行了表征。同时对于可能影响凝胶电泳分离效率的各类因素进行了初步探讨。以上科研工作的完成提高了m-SWCNT和s-SWCNT的分离效率。3)利用NaCl和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）与SWCNT表面的十二烷基硫酸钠（SDS）的不同相互作用,研究二者的添加对分离结果的影响。在此实验的基础上,初步探讨了琼脂糖凝胶电泳法分离SWCNT的分离机制。结果表明,琼脂糖与s-SWCNT间的特异性作用及SDS在m-和s-SWCNT表面吸附性质的差异是实现分离的关键因素。4)制备SWCNT,m-SWCNT和s-SWCNT薄膜修饰的玻碳（GC）电极（SWCNT-GC, m-SWCNT-GC, s-SWCNT-GC）,通过循环伏安法对修饰电极在含有多巴胺（DA）的磷酸盐（PBS）缓冲溶液（pH=7.0）中的电化学行为进行了分析比较。结果表明:三种修饰电极对DA都有较强的电催化作用。最后,利用SWCNT-GC电极成功使DA与抗坏血酸（AA）电化学分离,从而实现在AA共存下对DA的选择性检测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 碳纳米管简介
• 1.1.1 碳纳米管的发现
• 1.1.2 碳纳米管的结构及分类
• 1.1.3 碳纳米管的特性
• 1.2 SWCNT 的制备与纯化
• 1.2.1 电弧法
• 1.2.2 激光蒸发法
• 1.2.3 化学气相沉积法
• 1.2.4 SWCNT 的纯化
• 1.3 SWCNT 的表征手段
• 1.4 金属性（m-）和半导体性（s-）单壁碳纳米管的分离
• 1.4.1 PECVD 法
• 1.4.2 电泳法
• 1.4.3 超高速离心分离法
• 1.4.4 生物方法
• 1.4.5 选择性破坏法
• 1.5 本论文的研究目的、意义及研究内容
• 第二章 单壁碳纳米管的生长与纯化
• 2.1 引言
• 2.2 实验过程
• 2.2.1 仪器和试剂
• 2.2.2 SWCNT 制备装置
• 2.2.3 催化剂的制备
• 2.2.4 SWCNT 的制备
• 2.2.5 SWCNT 的纯化
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 不同催化剂制备的SWCNT 的拉曼光谱比较
• 2.3.2 反应温度对Co/MgO 催化剂制备SWCNT 的影响
• 2.3.3 CH4 流量对Co/MgO 催化剂制备SWCNT 的影响
• 2.3.4 SWCNT 的纯化
• 2.4 本章小结
• 第三章 琼脂糖凝胶电泳法分离单壁碳纳米管
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂与仪器
• 3.2.2 SWCNT 分散液的调制
• 3.2.3 琼脂糖凝胶电泳
• 3.2.4 吸收光谱测定
• 3.2.5 拉曼光谱测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 SWCNT 的琼脂糖凝胶电泳分离
• 3.3.2 拉曼光谱分析
• 3.3.3 吸收光谱分析
• 3.3.4 琼脂糖凝胶电泳影响因素的初步探讨
• 3.4 本章小节
• 第四章 琼脂糖凝胶电泳法分离SWCNT 分离机制的探索
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂与仪器
• 4.2.2 NaCl-SDS-SWCNT, PVP-SDS-SWCNT 分散液的制备
• 4.2.3 NaCl-SDS-SWCNT, PVP-SDS-SWCNT 琼脂糖凝胶电泳
• 4.2.4 吸收光谱测定
• 4.2.5 Zeta 电位测定
• 4.2.6 荧光光谱测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 PVP-SDS-SWCNT 体系的琼脂糖凝胶电泳
• 4.3.2 NaCl-SDS-SWCNT 体系的琼脂糖凝胶电泳
• 4.3.3 NaCl-SDS-SWCNT 体系的UV-Vis-NIR 光谱分析
• 4.4 本章小节
• 第五章 SWCNT 薄膜在修饰电极上的应用
• 5.1 引言
• 5.2 仪器和试剂
• 5.3 实验过程
• 5.3.1 SWCNT 分散液的调制
• 2HP0₄-NaH₂P0₄ 缓冲溶液（pH=7.0）的配置'>5.3.2 Na₂HP0₄-NaH₂P0₄缓冲溶液（pH=7.0）的配置
• 5.3.3 修饰电极的制备方法
• 5.3.4 电化学检测
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 SWCNT-GC 修饰电极的表面特征
• 5.4.2 GC 电极在DA 中的电化学行为
• 5.4.3 SWCNT-GC 电极在DA 中的电化学行为
• 5.4.4 SWCNT-GC 电极的动力学参数ks 的确定
• 5.4.5 影响因素的研究
• 5.4.6 SWCNT-GC 电极对DA 和AA 的电催化
• 5.4.7 SWCNT，m-SWCNT 和s-SWCNT 薄膜修饰GC 电极的电化学行为比较
• 5.5 本章小结
• 致谢
• 参考文献
• 附录：硕士期间发表论文情况