（材料學專業(yè)論文）功能化碳納米管的制備及性能研究.pdf

d a t eo fs u b m is s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s it y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n iv e r s it y i l 哈爾濱工程大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導師的指導下， 由作者本人獨立完成的。有關(guān)觀點、方法、數(shù)據(jù)和文獻的引用 已在文中指出，并與參考文獻相對應。除文中已注明引用的內(nèi) 容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的作品 成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中 以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承 擔。 作者( 簽字) ：趣煬燕 日期：勱后年月l 日 哈爾濱工程大學 學位論文授權(quán)使用聲明 本人完全了解學校保護知識產(chǎn)權(quán)的有關(guān)規(guī)定，即研究生在校 攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)屬于哈爾濱工程大學。哈爾濱 工程大學有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件。 本人允許哈爾濱工程大學將論文的部分或全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 一 庫進行檢索，可采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本 學位論文，可以公布論文的全部內(nèi)容。同時本人保證畢業(yè)后結(jié)合 學位論文研究課題再撰寫的論文一律注明作者第一署名單位為哈 爾濱工程大學。涉密學位論文待解密后適用本聲明。 本論文( 囡在授予學位后即可口在授予學位1 2 個月后口 解密后) 由哈爾濱工程大學送交有關(guān)部門進行保存、匯編等。 b f 作者( 簽字) ：匙沏冀約 導師( 簽字) ：靜砂 日期：咿年鄉(xiāng)月f 日矽夕年弓月，日 自1 9 9 1 年發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，其特殊的結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的物理、機械以及 電化學性質(zhì)備受科學家們廣泛的關(guān)注。而碳納米管卓越的電化學性質(zhì)在新一 代生物電化學傳感器領(lǐng)域里具有十分誘人的前景。 眾所周知，碳納米管易聚集、難分散的特點使它的應用受到了極大的限 制，在本論文中，為了改善碳納米管的分散性，我們使用功能化的方法改善 其分散性。首先，我們采用天然的生物高分子材料海藻酸鈉對碳納米管 進行非共價功能化。功能化的碳納米管在水中能夠形成黑色、均勻的懸濁 液，并且在固體表面形成三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效增加了基體的面積。同 時，在海藻酸鈉一碳納米管復合膜上的血紅蛋白能夠保持它的原始構(gòu)象。固 定在該復合膜上的血紅蛋白能夠?qū)崿F(xiàn)較快的直接電子轉(zhuǎn)移，電子轉(zhuǎn)移速率常 數(shù)恕為( 9 5 4 士0 8 8 3 ) s ，而且對過氧化氫的電化學還原具有良好的生物電 催化活性，以此構(gòu)筑的生物傳感器具有一定的應用可能性。 其次，我們在碳納米管的缺陷處引入羧基，采用原位水熱合成法制備碳 納米管羥基磷灰石( m w n t s h a ) 復合物。碳納米管羥基磷灰石復合物具有 較好的分散性，能夠在固體基底上形成均勻、三維多孔的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。固 定在此復合物上的血紅蛋白能夠保持其原始構(gòu)象，而且血紅蛋白能夠較容易 的實現(xiàn)直接電子轉(zhuǎn)移，電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)為( 5 0 5 士0 4 1 ) s 一，同時對過氧 化氫和三氯乙酸有較好的電化學催化活性。 我們進一步研究了葡萄糖氧化酶和漆酶在碳納米管羥基磷狄石上的直 接電子轉(zhuǎn)移。并以葡萄糖氧化酶催化葡萄糖為陽極，以漆酶催化氧氣還原為 陰極構(gòu)筑了新型生物燃料電池。 關(guān)鍵詞：海藻酸鈉碳納米管：碳納米管羥基磷灰石；生物電化學；生物傳 感器 c i l p r o p e r t i e so fm w n t s a r eu s e f u lf o rt h ee l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r s a sw e l lk n o w n ，t h ea p p l i c a t i o n so fm w n t sh a v eb e e nl i m i t e dd u et ot h e p r o p e r t i e so fm w n t sw h i c ht e n dt oa g g r e g a t ea n dd i f f i c u l t l ys e p a r a t e i nm o s t s o l v e n t s i nt h i sw o r k ，i no r d e rt oi m p o v et h ed i s p e r s i o no fm w n t s ，w e h a v et r i e d t oc h e m i c a l l yf u n c t i o n a l i z et h em w n t s f i r s t ，t h en o n c o v a l e n c ef u n c t i o n a l i z a t i o n o fm w n t sw i t hs o d i u ma l g i n a t e ( s a ) ，t h ef u n c t i o n a l i z e dm w n t sc o u l df o r m s t a b l e u n i f o r m l yd i s p e r s e d b l a c kw a t e rs o l u t i o n ，a n df o r mu n i f o r m t h r e e d i m e n s i o n a lr e t i c u l a rs t r u c t u r eo nt h es o l i ds u b s t r a t ea n di n c r e a s et h es u r f a c ea r e a o fs u b s t r a t e t h es a m w n t sc o m p o s i t ef i l mr e t a i n e dt h es i m i l a rs t r u c t u r eo f h e m o g l o b i n ( h b ) ，a n dt h eh be n t r a p p e di nt h ec o m p o s i t ef i l mc o u l da c h i e v e dt h e d i r e c te l e c t r o nt r a n s f e rb e t w e e nh ba n ds a m w n t sm o d i f i e de l e c t r o d e ，“mt h e e l e c t r o nt r a n s f e rr a t ec o n s t a n to f ( 9 5 4 + 0 8 8 3 ) s t h eh ba d s o r b e do n t ot h e c o m p o s i t ef i l mh a d e x c e l l e n tb i o e l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t y t ot h er e d u c t i o no f h y d r o g e np e r o x i d e t h eb i o s e n s o rc o n s t r u c t e di nt h i sw a yh a sm u c hp o s s i b i l i t yi n u s a g e w ei n t e n t i o n a l l yi n t r o d u c e dc a r b o x y lg r o u pa n ds y n t h e s i z e dh y d r o x y a p a t i t e ( h a ) b ys e l f - a s s e m b l ym e t h o dv i aa na q u e o u ss o l u t i o nr e a c t i o n i ti sf o u n dt h a t t h em w n t s h ac o u l df o r ms t a b l eu n i f o r m l yd i s p e r s e db l a c kw a t e rs o l u t i o n ，a n d f o r mu n i f o r mt h r e e d i m e n s i o n a lr e t i c u l a rs t r u c t u r eo nt h e s o l i ds u b s t r a t e t h e m w n t s h ac o m p o s i t ef i l mr e t a i n e dt h es i m i l a rs t r u c t u r eo fh e m o g l o b i n ( h b ) ， a n dt h eh be n t r a p p e di nt h ec o m p o s i t ef i l mc o u l da c h i e v e dt h ed i r e c te l e c t r o n t r a n s f e rb e t w e e nh ba n dm w n t s h am o d i f i e de l e c t r o d e ，w i t ht h e e l e c t r o n 一 知 哈爾濱一1 ：程大學碩十學何論文 仃 m s f e rr a t ec o n s t a n to f ( 5 0 5 士0 4 1 ) s 1 t h eh ba d s o r b e do n t ot h ec o m p o s i t e f i l mh a de x c e l l e n tb i o e l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t y t ot h er e d u c t i o no fh y d r o g e n p e r o x i d ea n d t c a w ef u r t h e rs t u d i e dd i r e c te l e c t r o nt r a n s f e ro fg l u c o s eo x i d a s ea n dl a c c a s eo n t h em w n t s h ac o m p o s i t ef i l m ，a n dp r e p a r e d an o v e l ( m w n t s h a ) n a n o c o m p o s i t e b a s e dc o m p a r t m e n t l e s sg l u c o s e 0 2b i o f u e lc e l lw i t ht h eg l u c o s e o x y g e na st h ea n o d i cb i o c a t a l y s t sa n dt h el a c c a s ea st h ec a t h o d i cb i o c a t a l y s t s i t i s i m p o r t a n tf o rt h en e w b i o f u l lc e l l k e y w o r d s ：s o d i u ma l g i n a t e - c a r b o nn a n o t u b e ；c a r b o nn a n o t u b e h y d r o x y a p a t i t e ； b i o e l e c t r o c h e m i s t r y ；b i o s e n s o r s 哈爾濱：i ：程大學碩十學位論文 目錄 第l 章緒論l 1 1 碳納米管概述。1 1 1 1 碳納米管的結(jié)構(gòu)性質(zhì)l 1 1 2 碳納米管的電化學性質(zhì)4 1 2 碳納米管功能化方法4 1 2 1 共價功能化5 1 2 2 非共價功能化7 1 3 碳納米管在生物傳感器中的應用8 1 4 本論文選題背景及主要研究內(nèi)容9 第2 章實驗方法1 1 2 1 實驗材料與儀器1 1 2 1 1 實驗材料1 1 2 1 2 實驗儀器1 2 2 2 樣品制備13 2 2 1 電極的預處理1 3 2 。2 2h b s a m w n t s g c 修飾電極的制備1 3 2 2 3 碳納米管羥基磷灰石( m w n t s h a ) 的制備1 3 2 2 4h b m w n t s h a g c 修飾電極的制備1 4 2 2 5g o d m w n t s 。h a g c 修飾電極的制備1 4 2 2 6 漆酶的純化1 4 2 2 7l a m w n t s h a g c 修飾電極的制備15 2 2 8 紅外樣品的制備15 2 2 9 紫外樣品的制備15 2 3 本章小結(jié)l5 第3 章h b s a m w n t s 生物傳感器的研究1 7 一 第4 章h b m w n t s h a 生物傳感器的性能研究3 4 4 1 引言3 4 4 2m w n t s h a 復合膜的表征3 4 4 2 1m w n t s h a 的結(jié)構(gòu)和形貌3 4 4 2 2m w n t s h a 的電化學性能研究3 7 4 3h b m w n t s h a 復合膜的表征3 9 4 3 1 光譜表征3 9 4 3 2h b m w n t s h a 的電化學性能研究4 l 4 3 3p h 的影響4 4 4 3 4h b m w n t s h a 對h 2 0 2 的電催化研究4 5 4 4 本章小結(jié)4 9 第5 章m w n t s h a 生物燃料電池的性能研究5 1 5 1 引言51 5 2g o d m w n t s h a 復合膜的表征5 2 5 2 1g o d m w n t s h a 的光譜表征5 2 5 2 2g o d m w n t s h a 的電化學性能研究。5 3 5 2 3p h 對g o d m w n t s h a 的影響5 6 哈爾濱1 ：程火學碩+ 學位論文 5 2 4g o d m w n t s h a 對葡萄糖催化性能研究5 8 5 3l 棚w n t s h a 的電化學性能研究6 0 5 4 生物燃料電池性能研究6 2 5 5 本章小結(jié)6 3 結(jié)論6 4 參考文獻6 5 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果7 5 致謝7 6 _ _ - 一 哈爾濱i ：榨大學碩十學伶論文 i i 第1 章緒論 1 1 碳納米管概述 1 9 9 1 年，日本n e c 公司的s i i j i m a 博士f l l 在用高分辨隧道電子顯微鏡觀 察氫氣直流電弧放電后的陰極碳棒時，首次發(fā)現(xiàn)了一種碳原子組成的同軸多 層的中空管，即碳納米管( m w n t s ) 。碳納米管具有獨特的結(jié)構(gòu)特征，以及 奇異的力學、電學和磁學等性質(zhì)，這些特殊的性質(zhì)使碳納米管廣泛應用于諸 多領(lǐng)域。因此碳納米管受到全球物理、化學及材料等科學界的廣泛關(guān)注，成 為各個學科的研究熱點。 1 1 1 碳納米管的結(jié)構(gòu)性質(zhì) 碳納米管是富勒碳家族的一個重要成員，晶形碳的另一種同素異性體， 又稱巴基管。理想的碳納米管可看成是石墨烯片卷成的無縫、中空管的管 體，既具有典型的層狀中空結(jié)構(gòu)特征【2 l ，且碳納米管的直徑很小，長徑比較 大，故可視為準一維納米材料。雖然碳納米管可看作是石墨烯片卷成的直徑 為納米尺度的圓桶，但它的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)卻與石墨有很大差異。石墨是由s 雜化的碳原子形成的二維平面結(jié)構(gòu)，而碳納米管的管壁碳原子是以s p 2 雜化 為主的混合雜化態(tài)結(jié)構(gòu)，與s p 2 雜化的石墨和s p 3 雜化的金剛石不同，碳納米 管的結(jié)構(gòu)可以看成是石墨的六角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的彎曲而形成的空間拓 撲結(jié)構(gòu)，其中可形成一定的s p 3 雜化鍵【3 】。而且，通過原子力顯微鏡和掃描 隧道顯微鏡發(fā)現(xiàn)，在碳納米管s 雜化網(wǎng)格中存在s 礦線性缺陷，采用從頭算 的方法，可以證明這類結(jié)構(gòu)在碳納米管中可以穩(wěn)定存在?？傊?，碳納米管中 碳原子所形成的。鍵會發(fā)生彎曲，a 鍵具有部分p 軌道特征，7 c 鍵具有部分 s 軌道特征，形成的化學鍵同時具有s 和s p 3 混合雜化狀態(tài)特征，但以s p 2 雜化為主。 根據(jù)組成石墨烯片層數(shù)的不同，可將碳納米管分為單壁碳納米管 ( s w n t s ) 和多壁碳納米管( m w n t s ) 。單壁碳納米管是由單層石墨烯片繞合而 哈爾濱下程人學碩十學位論文 成的，結(jié)構(gòu)具有較好的對稱性與單一性，如圖1 1 所示。單壁碳納米管還可 看成是石墨烯平面在圓柱體上的映射，而且在映射過程中石墨烯層中的六邊 形保持不變，因此在映射時石墨烯片層中六角形網(wǎng)格和碳納米管軸之間可能 會出現(xiàn)夾角。根據(jù)碳納米管中六邊形沿軸向的不同取向可以將其分為鋸齒 型、扶手椅型和螺旋型三種，如圖1 2 所示。單壁碳納米管的電學性能和力 學性能根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同其性質(zhì)也有所差異，扶手椅型單壁碳納米管主要呈現(xiàn) 為金屬性，而鋸齒型和螺旋型為半導體性或者金屬性【4 】。 圖1 1 單壁碳納米管 abc 圖1 2 三種類型的單壁碳納米管( a ) 扶手型( b ) 鋸齒刪( c ) 螺旋型 單壁碳納米管的管徑分布范圍小，一般在0 4 2 5a m 之間，而長度可達 幾微米，端帽是由適當數(shù)目和位置的五元環(huán)和七元環(huán)構(gòu)成。單壁碳納米管間 2 圖1 3 單肇碳納米管管束 圖1 4 多肇碳納米管 理想的多壁碳納米管可以看成是不同直徑的單層管同軸套構(gòu)而成，其層 數(shù)可以從二層到幾十層，層與層之間主要存在范德華力，如圖1 4 所示。與 石墨相比，多壁碳納米管層間距略大，一般為0 。3 4n m ，而且層數(shù)越少層間 距越大。多壁碳納米管的實際結(jié)構(gòu)比理論模型要復雜得多，在實際制備過程 3 哈爾濱1 ：程大學碩七學位論文 中發(fā)現(xiàn)，碳納米管的直徑并不均勻，也不完全是直的，會出現(xiàn)l 、t 、y 型 管等各種形狀。 1 1 2 碳納米管的電化學性質(zhì) 碳納米管主要由s p n 雜化的碳原子形成管壁，可形成高度離域化的7 【電 子共軛體系，由于碳納米管的端部存在五元環(huán)的缺陷以及由缺陷引起的維度 彎曲，所以碳納米管表面和端口碳原予具有比其它的石墨變體更大的反應活 性。此外，將碳納米管經(jīng)酸氧化處理后，可以在其表面和端部引入大量含氧 官能團和表面缺陷，為電化學反應提供更多的活性位點，這就大大提高了碳 納米管修飾電極的電化學反應活性。而且，碳納米管管壁上高度離域化的兀 電子共軛體系，為發(fā)生加成反應提供了可能，而兀電子共軛體系也可與其它 的7 f 電子體系發(fā)生兀- 7 r 相互作用，形成非共價結(jié)合的復合物。碳納米管還 具有很大的比表面，為電化學反應提供了充足的反應場所。 碳納米管具有如此眾多的優(yōu)異性能，因此在開發(fā)相關(guān)納米器件、研制新 型材料等方面都有著很大的現(xiàn)實意義。比如利用碳納米管制備納米復合材 料，有希望制備出輕質(zhì)、高強度，同時兼具功能特性的新型納米復合材料。 而在電化學領(lǐng)域，碳納米管也將以優(yōu)異的電催化性能為納米科學研究開拓出 更為廣闊的應用領(lǐng)域。 1 2 碳納米管功能化方法 憑借其獨特的結(jié)構(gòu)和特性，碳納米管在多個領(lǐng)域具有潛在的應用前 景，但在實際操作過程中，尚有許多亟待解決的問題。由于碳納米管的表面 能高，容易發(fā)生團聚：且與其他物質(zhì)的浸潤性很差，幾乎不溶于任何溶劑， 在使用過程中很難分散，這些問題極大的限制了碳納米管的應用。要充分發(fā) 揮碳納米管的優(yōu)越特性，必須使碳納米管在溶劑中均勻的分散，為解決這一 關(guān)鍵問題，眾多研究者提出了對碳納米管進行功能化的策略，以達到分散的 目的。從目前的研究來看，碳納米管的功能化主要分為共價功能化和非共價 功能化兩種方法，研究者針對這兩種功能化方法進行了深入的研究。 4 1 2 1 共價功能化 碳納米管最容易發(fā)生化學反應的區(qū)域是在碳納米管的端部和管壁表面 的五元環(huán)、七元環(huán)、s 礦雜化位置的缺陷以及碳納米管晶格的空位缺陷，在 這些缺陷處可以引入碳納米管的共價功能基團，而引入的共價功能基團不但 可以明顯改善碳納米管在有機溶劑和水溶液中的分散性，而且這些功能基團 還可與其它的物質(zhì)進行進一步的化學結(jié)合，使碳納米管具有特殊的化學性 質(zhì)。因此對碳納米管進行共價功能化引起了科學家的極大興趣，也使得碳納 米管在納米材料的舞臺上更加活躍。 最初的共價功能化是對碳納米管進行酸化氧化，在碳納米管的缺陷位 點、碳納米管的端部以及在碳納米管的晶格空位缺陷處連上c o o h 官能 團，如圖1 5 所示。試驗結(jié)果表明，這種共價功能化后的碳納米管在水中有 較好的分散性【。1 。 n 圖1 5 碳納米管表面缺陷 y a n g 等先對碳納米管進行酸化處理后，在碳納米管的側(cè)壁引入官能 團，再對帶有官能團的碳納米管進行共價功能化，最后得到了p d f - m w n t s ，如圖1 6 所示。試驗結(jié)果表明在不使用表面活性劑的情況下，此 物質(zhì)在水中有較好的分散性【l o ，。 哈爾濱 ：程大學碩十學位論文 舢 姒i i i i蝤l ? 口鲺，1 - - _ _ 、( 獺x s o i i t s 1 1 1 1 飄h i i s o 。h nh 嘶翳； _ _ _ ， s o t 鞠 黧h 鞋 1 鰣w t 弋b 嫩、i 錨t 、1 ， 圖1 6 碳納米管共價功能化示意圖 p e n g 等研究了碳納米管與過氧化瓏泊酞反應。首先在碳納米管的管壁 缺陷處引入羧基的烷基自由基，得到了羧基功能化的碳納米管，如圖1 7 所 示。然后將帶有羧基烷基自由基的碳納米管與各種二元胺反應，將其轉(zhuǎn)化成 氨基功能化的碳納米管( h i 。 0 ：0 ，：iio h o o c ( c h 2 ) n - - - c 0 0 一c 一( c h 2 ) n c o o h s 、 n t ( c h 2 ) 。c 0 2 h 一 圖1 7 碳納米管共價功能化示意圖 c h e n 等先將s w n t s 氧化，然后再與s o c l 2 反應，最后再與十八胺反 應，使碳納米管的管壁連接上長的脂肪鏈，此共價功能化后的碳納米管在有 機溶劑中有較好的分散性m 】。 6 哈爾濱t ：程大學碩十學位論文 1 2 2 非共價功能化 碳納米管側(cè)壁碳原子的s p 2 雜化主要是高度離域化的兀鍵，這些兀電子可 以與其它物質(zhì)通過冗兀非共價鍵作用結(jié)合，而不改變碳納米管本身的結(jié)構(gòu)。 因此與共價功能化相比，非共價功能化不會破壞碳納米管本身的良好性質(zhì)， 同時還可以提高碳納米管的分散性。 s m a l l e y 等人將線性聚合物聚乙烯吡咯烷酮( p v p ) 和磺化聚苯乙烯( p s s ) 通過7 c 噸相互作用，將其分子鏈包裹到單壁碳納米管的管壁上，如圖1 8 所 示。實驗結(jié)果表明，聚合物分子均勻、緊密的包裹在碳納米管的管壁上，使 得功能化后的碳管在水溶液中有較好的分散性f 1 3 1 。 圖1 8 聚乙烯基吡咯烷酮螺旋包裹碳納米管示意圖 h u a n g 等使用電化學沉積法，將聚苯胺包裹在碳納米管管壁上。研究表 明，此非共價功能化的碳納米管能夠溶于丙酮、四氫呋喃、n 、n 二甲基甲 酰胺等溶劑中。同時發(fā)現(xiàn)，聚苯胺分子與碳納米管管壁之間的相互作用力為 兀- 7 1 ；相互作用f 1 4 】。 h u 等人使用剛果紅( c o n g or e d ) 通過7 【訊相互作用對單壁碳納米管進行 非共價功能化。試驗結(jié)果表明，功能化后的碳納米管在水溶液中有較好的分 散性1 1 5 1 。t a k u y a 等人先將烯類單體( m a c r o m e r ) 聚合成共聚物m g p ，再制備 7 哈爾濱一l ：程大學碩十學位論文 p d m s m g p 聚合物，然后對碳納米管進行非共價功能化，如圖1 9 所示。 結(jié)果表明，p d m s m g p 和碳納米管通過7 1 ；- i ；相互作用結(jié)合在一起，功能化 后的碳納米管在三氯甲烷和正己烷中有較好的分散性【1 6 j 。 圖1 9 共聚物1 卜共價功能化碳納米管示意圖 1 3 碳納米管在生物傳感器中的應用 自從發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，碳納米管特殊的電化學性能就得到了人們廣泛 的關(guān)注，目前碳納米管的修飾電極已經(jīng)成為構(gòu)建納米生物傳感器和納米生物 燃料電池研究領(lǐng)域的重要分支之一。 碳納米管對生物分子活性中心的電子傳遞具有促進作用。z h a n g 等人用 純化后的碳納米管組裝1 乙基3 甲基溴化咪唑翁，吸附血紅蛋白制備成生 物傳感器，組裝的碳納米管界面不僅保持了血紅蛋白的生物活性，并且能夠 實現(xiàn)血紅蛋白在電極上的直接電子轉(zhuǎn)移1 1 7 1 。r a h m a n 等人使用碳納米管修飾 電極制備了葡萄糖氧化酶的生物傳感器，試驗結(jié)果表明，修飾電極對葡萄糖 檢測的最低檢測限只有1 3 - 4 - 0 1 t m o l l ，而且可以成功的應用于血清中葡 萄糖的檢n f , , j 。d o n g 等人利用層層組裝技術(shù)將碳納米管和賴氨酸通過靜電 作用力組裝成多層復合膜，以此構(gòu)筑了漆酶( l a ) 為燃料的生物燃料電池陰極 和脫氫酶( g d h ) 為燃料的生物燃料電池陽極，試驗結(jié)果表明，此生物燃料電 池的最大功率密度可達3 2 9i t w c m 之l 挎) 。 碳納米管特殊的電化學活性、高的比表面以及高的導電性能使碳納米管 作為一種很好的電極材料在傳感器制備中具有獨特而廣闊的應用前景。表 r 爹 萬 哈爾濱jl ：程大學碩+ 學位論文 1 1 列舉了碳納米管作為修飾電極在傳感器方面的研究。 表1 1 碳納米管在傳感器方面的應用研究 修飾電極檢測物參考文獻 m w n l s g c h 2 0 2 【2 0 】 ( p d d a - m w n t s ) 5 g cc y s h【2 1 】 p aa 倫嗄w n t s g cn a d h 【8 】8 o h m w n t s p r n g ca a 、u a 、d a 2 2 p v i o s m w n t s s p ea a 2 3 】 p p y o x m w n t s g ca a ，u a ，u i t r i t e ，d o p a m i n e【2 4 】 n p t i w n l s g ce s t r i o l 、e s t r o n e 、e s t r a d i o l 、$ e l q , l m 2 5 】 m w n t s c f m e n o f i s h1 i v e r 2 6 】 1 4 本論文選題背景及主要研究內(nèi)容 碳納米管因其獨特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)被用作傳感器的電極材料時，不僅可 將納米材料本身的物理、化學特性引入傳感器，還可使傳感器具有碳納米管 本身獨特的優(yōu)異性能，比如比表面積大、催化效率高、表面帶有較多的功能 基團，因此碳納米管是一種理想的電極材料?；谔技{米管的優(yōu)越特性，我 們的興趣主要集中在碳納米管的功能化及其在生物電化學傳感器和生物燃料 電池方面的研究。本論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面： ( 1 ) 禾l j 用天然的生物醫(yī)用高分子材料海藻酸鈉( s a ) 對碳納米管( m w n t s ) 進行非共價功能化，以此構(gòu)筑h b s a m w n t s g c 修飾電極。探討s a m w n t s 界面對h b 與電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移及蛋白質(zhì)的活性的影響，同 時研究h b s a m w n t ( 3 c 對h 2 0 2 的催化。 ( 2 ) 佑l j 備碳納米管( m w n t s ) 羥基磷灰石( h a ) 復合物，構(gòu)筑h b m w n t s - h a g c 修飾電極。探討m w n t s h a 對h b 與電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移及蛋 9 哈爾濱：i ：程大學碩十學位論文 白質(zhì)的活性的影響，研究該生物傳感器對h 2 0 2 和t c a 的催化性能。 ( 3 ) 以m w n t s h a 為界面，固定葡萄糖氧化酶( g o d ) ，探討g o d 與電 極之間的直接電子轉(zhuǎn)移過程及蛋白質(zhì)的活性，并以此作為生物燃料電池的陽 極。同時制備生物燃料電池陰極l a m w n t s h a g c ，組裝成隔膜型生物燃 料電池，進一步探討其性能。 1 0 哈爾濱l ：程大學碩+ 學位論文 2 1 實驗材料與儀器 2 1 1 實驗材料 第2 章實驗方法 實驗中所用到的主要化學試劑詳見表2 1 。 表2 1 土要試劑 試劑名稱純度試劑廠家 海藻酸鈉( s a )分析純北京化學藥品有限公司 多壁碳納米管( m w n t s )直徑1 0 3 0n m深圳納米港有限公司 血紅蛋白( h b )分子量6 8 0 0 0s i g m a 公司 葡萄糖氧化酶( g o d ) 5 0 k u g 。ls i g m a 公司 漆酶( l a ) 5 7 k d s i g m a 公司 牛血清蛋i 芻( b s a )生化試劑s i g m a 公司 2 ，2 - 連氮基二雙- ( 3 - 乙基苯并 分析純s i g m a 公司 噻唑啉- 6 磺酸) 二銨鹽( a b t s ) 過氧化氫( h 2 0 2 ) 3 0w t 天津化學品有限公司 d 葡萄糖分析純天津化學品有限公司 二茂鐵甲酸分析純上海茂劑化學藥品公司 7 , - - 胺四乙酸二鈉( e d t a )分析純哈爾濱市新春化工廠 硫酸胺分析純哈爾濱市新春化工廠 三氯乙酸( t c a )分析純哈爾濱市新春化工廠 哈爾濱f ：稗大學碩十學位論文 2 1 2 實驗儀器 實驗所用小型儀器見表2 2 表2 2 實驗所用小型儀器 儀器名稱廠家 t g l 1 6 c 型離心機上海安亭科學儀器廠 s k 3 3 0 0 h 型超聲儀上?？茖С晝x器有限公司 d z f 6 0 5 0 型真空干燥箱上海精宏實驗設(shè)備有限公司 冷凍干燥箱上海精宏實驗設(shè)備有限公司 s h z 9 5 8 型循環(huán)水式多用真空泵鞏義市英峪予華儀器廠 c p 2 2 4 5 電子天平賽多利斯 o r i o n 4 1 0 a + 型酸度劑美國熱電公司 恒溫加熱磁力攪拌器上海振榮科學儀器有限公司 本試驗使用電化學工作站c h l 6 5 0 c 進行電化學性能的測量，所有電化 學試驗均采用三電極體系。以修飾玻璃碳電極( g c ) 作為工作電極，鉑絲作為 對電極，飽和甘汞電極( s c e ) 為參比電極。試驗所需電解液為濃度0 1 0 t o o l l - 1 的磷酸二氫鉀緩沖溶液( p b s ，p h = 6 0 或7 0 ) ，電化學試驗均在室溫 下進行( 1 8 士2 ) 。 紅外光譜( f t i r ) 采用p es p e c t r u m l 0 0 紅外分光光度計進行測量。 紫外可見吸收光譜( u v v i s ) 試驗采用u v 2 2 5 0 型紫外分光光度計進行 測量。 掃描電子顯微鏡( s e m ) 采用h i t a c h i $ 4 3 0 0 - f 顯微鏡( h i t a c h ii n c ，t o k y o ， j a p a n ) ，加速電壓為1 5k v 。 x 射線衍射分析在p a n a l y t i c a l 公司的x p e r tp r o 多功能x 衍射儀上進 行。試驗條件為c o 靶k 衍射，管電壓4 0k v ，管電流4 0m a ，掃速為 1 2 哈爾濱- i j 程大學碩十學位論文 2 。m i n 。 2 2 樣品制備 2 2 1 電極的預處理 玻璃碳電極( g c ，直徑3m m ) ，購買于天津艾達科技發(fā)展有限公司。首 先用粒度o 3l i m 和0 0 5p m 的a | 2 0 3 粉在拋光布上進行打磨拋光，然后在去 離子水中進行超聲清洗兩次，每次約3 4 分鐘，最后用去離子水徹底沖洗。 2 2 2h 1 ) s a m w n t s g c 修飾電極的制備 將一定量的碳納米管( m w n t s ) 分散在去離子水中，經(jīng)過超聲，形成濃 度為2m g m l 。1 的懸濁液。然后向其中加入濃度為2m g m l 一的海藻酸鈉( s a ) 溶液，繼續(xù)超聲2 0m i n 后得到均勻的黑色懸濁液( s a m w n t s ) ，此懸濁液 至少能穩(wěn)定的存在兩周。用微量注射器吸取4g ls a m w n t s 懸濁液滴加在 拋光清洗好的g c 電極表面，置于室溫下自然晾干，形成s a m w n t s g c 修飾電極。 將制備好的s a m w n t s g c 電極浸入濃度為2 0m g m l 。的h b 溶液 中，并置于4 。c 冰箱中分別浸泡4h ，1 2h ，2 4h ，3 6h ，4 8h 后，將其取出 并用去離子水沖洗，以除去未吸附的h b ，從而得到h b 不同吸附量的 h b s a m w n t s g c 修飾電極。電極在不使用時可將其置于4 c 冰箱中保 存。 2 2 3 碳納米管羥基磷灰石( m w n t s h a ) 的制備 據(jù)文獻【z ，l 報道，采用稀酸回流可制備帶有羧基( c o o h ) 的碳納米管。本 試驗的具體過程如下：首先將5 0m g 多壁碳納米管加入到1 0 0m l 濃度為3 m o l l o 的h n 0 3 溶液中，此溶液封口后超聲lh ，然后在8 0 c 下回流1 0 h ， 最后用去離子水多次洗滌、過濾，并在真空干燥箱內(nèi)干燥2 4h ，以待備用。 將干燥的碳納米管2 0m g 加入到5m l 蒸餾水中超聲3 0m i n ，使其變?yōu)?黑色懸濁液，然后將c a c l 2 逐滴加入此溶液中使c a c l 2 濃度為o 0 5m o l l ， 哈爾濱 ：程大導：碩十學1 1 ：7 ：論文 攪拌lh 后，將5m l 濃度為0 0 im o l l 一的n a 2 h p 0 4 溶液逐滴加入到此溶液 中，劇烈攪拌1h ，然后靜置沉淀1 2h 。所得沉淀物進行多次洗滌、過濾， 以除去未反應的物質(zhì)，最后在4 0 下真空干燥2 4h ，得到m w n t s h a 粉 末。 2 2 4h b m w n t s h a g c 修飾電極的制備 將一定量的m w n t s h a 分散到蒸餾水中，連續(xù)超聲約lh ，得到濃度 為2m g m l j 的黑色懸濁液，用微量注射器吸取l o “l(fā) 懸濁液滴加在拋光清 洗好的g c 電極表面，置于室溫下晾干，形成m w n t s h a g c 修飾電極。 將制備好的m w n t s h a g c 電極浸入濃度為2 0m g m l 以h b 溶液中，浸 泡2 4h 后得到h b m w n t s h g c 修飾電極。電極在不使用時可置于4 中 保存。 2 2 5g o d m w n t s h g c 修飾電極的制備 將制備好的m w n t s h a g c 電極浸入濃度為1 0m g m l 以葡萄糖氧化酶 ( g o d ) 中，并在4 。c 冰箱中浸泡1 2h ，即可得到g o d m w n t s h a g c 修飾 電極。電極在不使用時可置于4 中保存。 2 2 6 漆酶的純化 將透析袋浸泡在濃度為1 0m m o l l o 的乙二胺四乙酸二鈉( e d t a ) 溶液 中，放置3 0m i n 后更換新鮮的e d t a 溶液重新浸泡，反復進行三次，每次 浸泡3 0m i n 。將浸泡后的透析袋放入去離子水中加熱至8 0 ，并保溫0 5 h ，最后用去離子水沖洗。將4 0m g 漆酶( l a ) 力l l 入到0 5m l 磷酸緩沖溶液中 ( p h = 6 0 ) ，漆酶溶解后將混合液轉(zhuǎn)移到透析袋中，并將此透析袋浸泡到 p h = 6 0 的磷酸緩沖溶液中進行攪拌，lh 后更換新鮮的緩沖溶液，并將其放 入冰箱中繼續(xù)透析2 4h 。最后將透析袋中的溶液移入離心管中，并向此溶液 中加入適量的硫酸銨使其濃度達到飽和( 0 時其飽和溶解度為3 6 1g l 。) ， 產(chǎn)生的懸濁液在5 0 0 0r m p 下離心5m i n ，移走上層清液，沉淀物用盡量少的 磷酸緩沖溶液( p h = 6 o ) 溶解，再向其中加入飽和的硫酸銨，再次離心沉淀， 1 4 哈爾濱i ：程大學碩十學位論文 除去上清液。得到的沉淀用盡量少的磷酸緩沖溶液( p h = 6 0 ) 溶解，并將此溶 液轉(zhuǎn)移到透析管中，在8 0 0 0r m p 下離心5m i n ，進行透析濃縮，最終得到的 漆酶溶液( 濃度沒有標定) 存在4 。c 的冰箱中。 2 2 7l 加訂w n t s h g c 修飾電極的制備 用微量注射器先后吸取8 此漆酶( l a ) 溶液和2 此濃度為1 0m g m l 。1 的牛血清白蛋白( b s a ) 溶液，得到l a b s a 混合液，將其滴涂到m w n t s h a g c 電極表面，并用2 此濃度為4 0m m o l l d 的戊二醛進行交聯(lián)，修飾 電極在室溫下干燥，即可得到l a m w n t s h a g c 修飾電極。該電極不使用 時，可將其放在4 。c 下保存。 2 2 8 紅外樣品的制備 分別將s a 溶液，m w n t s ，m w n t s c o o h 和m w n t s h a 的懸濁 液，h b 和g o d 溶液均勻涂在于凈的玻璃片上，晾干成膜后，從玻璃片上 刮下少許和k b r 混合壓片后進行紅外測試。 對于h b s a m w n t s ，首先將s a m w n t s 溶液均勻涂在干凈的玻璃片 上，然后將血紅蛋白溶液滴到此溶液上，晾干成膜后從玻璃片上刮下少許和 k b r 混合壓片后進行紅外測試。h b m w n t s h a 和g o d m w n t s h a 紅外 樣品的制備方法同上。 2 2 9 紫外樣品的制備 分別將s a m w n t s 懸濁液，h b 溶液，h b 和s a m w n t s 的混合溶液， 均勻涂在干凈的石英玻璃上，在空氣中晾干后進行紫外測定。制備 m w n t s h a 和h b m w n t s h a ，g o d m w n t s h a 的紫外樣品時方法同 上。 2 3 本章小結(jié) 本章詳細介紹了制備s a m w n t s 、m w n t s h a 復合膜的過程，并以此 為界面制備了h b s a m w n t s g c 、h b m w n t s h a g c 、g o d m w n t s 哈爾濱t 程人學碩十學位論文 h a g c 、l 加w n t s h a g c 修飾電極。同時還介紹了紅外和紫外樣品的制 備和表征方法。 1 6 海藻酸鈉又稱褐藻酸鈉，是一類從褐藻類的細胞壁中提取出來的天然多 糖，主要化學成分為甘露糖醛酸和古洛糖醛酸，親水性極強，溶于水后成為 半透明的粘稠膠體溶液并帶有腥味，其分子式如圖3 1 所示。海藻酸鈉具有 很好的溶膠凝膠特性，優(yōu)良的生物相容性、無毒副作用，以及可控的生物 降解性、無抗原體等特征，已被廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域 中。 n gg o mmg 圖3 1 海藻酸鈉分子式 碳納米管管壁的s p 2 雜化使管壁上形成大7 【鍵共軛體系，可與其它的7 c 電子體系發(fā)生兀7 【作用