2008年第5期 分析仪器
碳纳米管修饰电极的现状
杨百勤1 李靖1 杜宝中2
(1.陕西科技大学化学与化工学院,西安,710021;2.西安理工大学应用化学系,西安,710054)
摘要对碳纳米管的分类,碳纳米管修饰电极的制备方法和应用作了综述,对碳纳米管修饰电极的发展趋
势作了简短展望。
关键词 电化学碳纳米管修饰电极
1 前 言
碳纳米管(CNT),又名巴基管(buckytubes),是
1991年由日本科学家饭岛(Iijirna)在高分辨透射电
镜(HRTEM)下发现的一种针状的管形碳单质。它
因特有的力学、电学和化学性质,独特的准一维管状
分子结构和在未来高科技领域的潜在应用价值,迅
速成为化学,物理学及材料科学等领域的研究热点。
目前,碳纳米管在理论计算、制备和纯化生长机理、
光谱
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
征、物理化学性质以及在力学、电学、化学和
材料学等领域的应用研究正在向纵深发展,在一些
方面已取得重大突破。碳纳米管的发现,开辟了碳
家族的又一同素异形体和纳米材料研究的新领域。
由于CNT具有良好的导电性、催化活性和较
大的比表面积,尤其能大大降低过电位及对部分
氧化还原蛋白质的直接电子转移,而被广泛用于修
饰电极的研究。碳纳米管作为电极用于化学反应时
能促进电子迁移。对碳纳米管的电化学和电催化行
为的研究已有不少报道。
2碳纳米管的分类
CNT属于富勒(fullerene)碳系,为管状无缝中
空而完整的分子结构,由碳六元环构成的类石墨平
面卷曲而成[1]。管各单层两端由五边形或七边形参
与封闭。CNT中每个碳原子通过sp2杂化与周围3
个碳原子相连形成六角形网格结构,但通常因产生
弯曲而形成空间拓扑结构,从而使某些碳原子呈
sp3杂化状态[2]。卷层数从一到数百不等。由单层
石墨片卷积而成的称为单壁碳纳米管(single-
wailedcarbonnanotube,SWNT)[1],制备时管径可
控,一般在1~6nm之间,当管径>6nm时,CNT
结构不稳定,易塌陷。SWNT轴向长度可达几百纳
米甚至几微米。由两层以上柱状碳管同轴卷积而成
的称为多壁碳纳米管(multi—walledcarbonnano-
tube,MWNT)[1q],层间距约为0.34nm。MWNT
管径为几纳米到几十纳米,长度一般在微米级,最长
者可达毫米级。
3碳纳米管修饰电极的制备方法
用通常方法制备出的CNT样品一般都含有金
属催化剂颗粒和无定形碳等杂质,所以应用前需要。
经过纯化步骤。纯化后的CNT通常是一种相互缠
绕的、找不到终端的线团状结构,管壁间因存在强的
范德华力而极易发生团聚,且不溶于任何溶剂,这些
特点既不利于对电极表面的修饰,也不利于发挥修
饰后的优点。
在制备修饰电极之前,碳纳米管要经过一系列
的处理,包括纯化、剪切、修饰、分散等步骤。这样做
既是由于CNT自身的原因,也是为了取得更好的
修饰效果。CNT样品在修饰到基底电极表面之前
都需经过必要的处理,然后再采用不同的方式修饰
到电极表面。不同的前处理方法将极大地影响最终
作者简介:杨百勤,男,1962年出生,教授,主要从事物理化学研究工作。E—mail:lijing5209@126.corn
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万方数据
2 分析仪器 2008年第5期
修饰电极的性质。
制备碳纳米管修饰电极的方法有很多,下面简
单介绍几种制备方法。
3.1化学吸附法 .
陈荣生等[41认为,由于CNT与碳纤维都有类
似石墨的平面结构,所以CNT可以吸附在碳纤维
表面形成较强的分子间力。他们制得的修饰电极可
以用水直接冲洗而不影响活性。
3.2电化学聚合法
Hughes等[5]将羧基化的CNT分散在吡咯单
体溶液中,通过电聚合制备了MWNT2Ppy复合膜
修饰电极。由于CNT上的羧基在溶液中失去质子
而带负电荷,在吡咯阳极氧化过程中进行掺杂,从而
共聚在电极表面。
3.3渗入法
渗入法是制备碳糊修饰电极的常用方法。1969
年Adams首创碳糊电极(CPE)以来,用各种修饰物
修饰的CPE获得了飞速发展。Halbe等[63制得钴
酞菁配合物的碳糊修饰电极,研究了化学修饰电极
(CME)对半光氨酸的催化氧化作用。Milan等n1将
18一烷基胺混入碳糊电极中,得到修饰的CPE,然后
在EDC(碳二亚胺)存在下,将SS—DNA(单链
DNA)固定到电极上或将18一烷基酸修饰到CPE
上,然后在EDC和NHS(N一烃基琥珀酰亚胺)共存
下,NS—DNA通过dG(甘油二酯)残基与CPE中羧
基结合制成SS—DNA修饰电极。
4碳纳米管修饰电极在电化学方面的的应用
4.1 电催化
Britto等阳3首先将碳纳米管制成电极并用于对
神经递质多巴胺的电催化氧化,开辟了碳纳米管应
用的新领域。多巴胺在这种碳纳米管电极上能发生
可逆的两电子电化学反应,其反应的表观速率常数
为0.17cm~,
说明
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碳纳米管对多巴胺电化学反应具
有很好的电催化作用。
Xu等研究了邻苯二酚在多壁碳纳米管修饰电
极上的电催化氧化作用,线性范围2.0×10_5~1.2
×10~mol/L,而且在多壁碳纳米管修饰电极上能
够对邻苯二酚和抗坏血酸的电化学氧化峰信号作清
晰的分辨。
Britto等所用的碳纳米管是MwNT,其制作电
极的方法虽然简单,但电极的充电电流较大。为了
克服这一不足,Liu等[93将SWNT制成膜,黏附在
铂、金电极表面,制成碳纳米管修饰电极,但这种电
极没有显示出很好的伏安行为。Luo等[1”131完善
了这一方法,得到良好的伏安行为,并对碳纳米管电
极的氧化还原峰进行了研究。他们先用浓HNO。
处理SWNT,在碳管表面引入电活性基团,如
COOH等,然后将其与用作分散剂的N,N一二甲基
甲酰胺(DMF)混合均匀,滴在玻碳电极表面,待
DMF挥发后即成为碳纳米管电极。该电极在空白
缓冲溶液中具有十分稳定的电化学响应。红外光谱
和光电子能谱的测量表明,其电化学响应是由碳纳
米管表面的羧基引起的。这种电极对肾上腺素、抗
坏血酸、多巴胺及细胞色素C等口卜141生物分子的电
化学反应均具有良好的电催化或促进作用。
刘佩芳等¨朝制作了碳纳米管粉末微电极
(CNTPME)。用电化学方法在王水中先在直径为
100“的铂圆盘微电极表面刻蚀出数百微米深的小
坑,再将碳纳米管填人小坑,即成为CNTPME。该
电极对NOf的电化学还原具有催化作用。
Wu等[16]研究了NO在用丙酮作分散剂制备的
碳纳米管电极上的电化学响应,碳纳米管电极对
NO的电化学氧化表现出很高的电催化活性和稳定
性,催化电流与N0浓度在2×10_7~1.5×10-4
mol/L范围内为线性关系,检出限为8.0×10-8
mol/L,且抗干扰能力强,可用作NO传感器。
Musameh等u73用CNT修饰玻碳电极,明显地
降低了NADH(辅酶I)的氧化过电位,显示了良好
的电催化活性。文献[23、[12]、[18]研究了多巴
胺在不同裸电极及相应CNT修饰电极上的循环伏
安行为,发现在CNT修饰电极上的峰电流显著增
大,可逆性也得到极大改善。张升晖等研究发现,在
CNT修饰后的电极上,乙炔雌二醇的氧化峰电流显
著增强,同时氧化过电位降低,测定的灵敏度大为提
高。Wang等[1叼发现,SwNT修饰的玻碳电极和金
电极对3,4一二羟苯基乙酸的电化学氧化具有明显
的电催化作用。
Banks等[2钊对CNT修饰电极的电化学催化机
理进行了探讨,比较了CNT修饰高序热解石墨
(HOPG)电极与石墨粉修饰HOPG电极的电化学
行为,提出了CNT电化学催化与表面缺陷关系的
万方数据
2008年第5期 分析仪器 3
模型。CNT开放的管端可以看成是边刨(edge-
plane),管壁可以看成是基面(basal—plane)。CNT
修饰电极是一种混合电极阵列。其基面具有与
HOPG裸电极相似的性质,在电活性物质中能得到
比较平缓的氧化还原峰,其边刨则与超微电极相仿,
氧化还原峰尖锐。在宏观操作中,可以把CNT修
饰电极看成是这两种电极的有机结合。根据这个模
型,只要能在电极表面制造相似的表面缺陷,就会具
有相近的电催化性质。Morre等[21]通过研究发现,
石墨粉修饰电极及CNT修饰电极对肾上腺素的催
化效果非常相近,这很可能是因为石墨粉同样能在
电极表面制造出与CNT相类似的表面缺陷。
表面缺陷导致电化学催化目前仅仅只是对机理
的一种推测,其应用范围仅限于修饰电极。
4.2媒介作用
任何酶电极的电极反应一般都包括酶化学反应
和异相电子转移反应。如何将电子从反应中心快速
转移到电极表面形成响应电流是一个关键问
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
。选
择使用电子传递介体是一种解决办法。所谓电子媒
介体是指能将酶反应过程中产生的电子从酶反应中
心转移到电极表面,从而使电极产生响应的分子导
体。
Wang等心胡用自组装MWNT修饰金电极,并
在MWNT上固定葡萄糖氧化酶(GOD),实现了电
子的直接传递传感器。Zhao等心3]研究了辣根过氧
化物酶(HRP)在CNT修饰电极上的电化学行为。
他们认为CNT可以直接传递电子,一方面是因为
CNT的表面缺陷导致了较高的表面活性,有利于酶
和碳管之间的电子传递;另一方面CNT独特的纳
米结构起到了“分子导线”的作用,将电子传递到酶
的氧化还原中心。
Anthony等心4]研究了GOD在SWNT上的直
接电子传递,提出了以下假设:在GOD的吸附过程
中,由于SWNT的纳米级拓扑结构以及和酶具有相
似的长度,所以允许酶吸附且不会改变其整体的生
物学形状和功能,而且SWNT靠近酶的活性中心,
在其电子隧道距离以内。这种情况和用一根长而尖
锐的针刺入气球类似。针一旦刺入球的外皮,就能
与球的内部发生相互作用。同样,一些SWNT能够
穿透包裹在GOD外面的糖蛋白外壳而达到氧化还
原活性中心,直接进行电子传递。
Cai等‘253和Zhao等[263分别报道了血红蛋白和
肌红蛋白在CNT修饰电极表面的直接电子转移现
象。直接电子转移使得这两种蛋白所修饰的电极对
H:0。和NO具有明显的催化作用。产生这种现象
的原因,一方面是因为CNT的表面缺陷导致了较
高的表面活性,有利于酶和碳管之间的电子传递;另
一方面是因为CNT起到分子导线的作用,将电子
传递到了酶的氧化还原活性中心。
4.3分离与测定
姜玲艳等[273描述了用壳聚糖一多壁碳纳米管涂
覆在玻碳电极(GCE)上的化学修饰电极,研究了壳
聚糖一多壁碳纳米管修饰电极(MC/GCE)同时测定
多巴胺和抗坏血酸。结果表明,这种电极对多巴胺
和抗坏血酸具有同时测定的能力。修饰电极对多巴
胺在0.144V、抗坏血酸在一0.029V有很高的微分
脉冲伏安电流响应。多巴胺和抗坏血酸的线性校准
范围分别为5×10_7mol/L到l×10-4mol/L(r一
0.997)和5×10-6mol/L到1×10-3mol/L(,.=
0.996)。MC/GCE表现出很好的灵敏度,选择性和
稳定性。
王宗花等口83也在多巴胺和抗坏血酸共存的情
况下对两种物质进行了同时测定,并对电催化机理
进行了探讨。实验结果表明,用电化学方法可以将
两者分离开,峰电流强度与浓度呈线性关系,检出限
较低。在裸玻碳或金电极上,AA(抗坏血酸)对DA
(多巴胺)的测定有干扰,是生物化学分析中困扰人
们的问题之一。在碳纳米管修饰电极上,AA优先
于DA被氧化,AA在电极上没有吸附作用,不会对
随后DA的氧化产生干扰,从而消除了AA对DA
测定的影响。
向伟等[:叼利用多壁碳纳米管一石墨糊电极测定
了水中的Pb2上,在HAc—NaAc缓冲溶液中Pb计的
检出限为3×10~mol/L。吴康兵[303研制的
MWNT—DHP修饰玻碳电极实现了对Pb2+、Cd2+
的同时测定[32。,此电极性能稳定,选择性强,使用寿
命长且易于更新,是一种优良的电极。肖亦等口妇报
道了用碳纳米管修饰电极线性扫描伏安法同时测定
铜和镉的电分析方法,当铜和镉离子的浓度分别为
8.0×10-7~2.0×10叫mol/L和5.0×10。~2.5
x10_mol/L时,线性关系良好,用此电极同时测定
土壤中的铜和镉,取得了满意的效果。
万方数据
4 分析仪器 2008年第5期
瞿万云023研究了a一萘胺在多壁碳纳米管一
DHP膜修饰电极上的电化学行为,并建立了一种直
接测定a-萘胺的高灵敏度电分析方法,检出限为
2.0×10~mol/L;该法已用于长江水样中a一萘胺
的测定,回收率为97.5%~104.2%。
用碳纳米管修饰电极还可以对丝裂霉素C,亚
硝酸盐,土霉素,头孢噻肟钠,对苯二酚口3|,苯酚f34|,
萘酚口5|,阿霉素,杂色曲霉素等进行直接测定,也可
以作为高效液相色谱检测器对人体血样中的硫醇进
行检测[36。。
5 展 望
碳纳米管的发现时间并不长,在电分析化学中
的应用也刚起步,但作为一种新型的电极修饰剂,由
于其本身所拥有的独特性,所以具有广阔的发展前
景。碳纳米管的体积很小,制作的电极有利于微型
化,可以用于活体测试,作体内环境检测,在医学方
面拥有广阔的应用前景。
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Theclassification,preparationmethodsandapplicationsofcarbonnanotubemodifiedelectrodeare
summarizedandthedevelopmenttrendsarediscussedbriefly.
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; 仪器与装置 :}
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TOC一2000D型多功能碳含量测定仪的设计
徐惠忠1 徐滋秋1’3 张澎浪2 徐成彬3 孟 霞2
(1.烟台大学环境与材料工程学院,烟台,264005;2.烟台市环境监测中心站,烟台,264001;3.烟台市滋秋TOC研究所,烟台,264005)
摘要介绍了TOC一2000D型多功能碳含量测定仪的工作原理及部分关键部件的改进与创新设计。该仪
器主要用于水体中总有机碳(TOC)指标的测定,亦可用于水体中总碳(TC)、总无机碳(TIC)、溶解态有机碳
(DOC)、颗粒态有机碳(PoC)、可挥发性有机碳(VOC)的测定,此外还可用于工业废渣、土壤、淤泥中固态有机碳
(SOC)含量的测定。仪器测量范围为O~50mg/L、o~500mg/L、0~5000rag/L(可任选),重复性≤2.6%,直线性
≤2.7%,量程漂移性≤1.4%,响应时间≤3min,
关键词碳含量 多功能测定仪环境监测
1 引 言
为了满足水体环境监测与环境科学研究的需
要,由烟台大学环境与材料工程学院、烟台市环境监
测中心站和烟台市滋秋TOC研究所联合组成的烟
台大学环保仪器研究所,在前期研究工作的基础上,
参考国外相关仪器资料,于2001年起开始进行环境
监测仪器的国产化研制工作。基于对市场因素的考
虑,仪器在设计上贯彻了尽量扩大使用范围、尽可能
对现有仪器有所超越的方针,研制成功了TOC一
2000D型多功能碳含量测定仪(实验室仪器)。该仪
器既可测定水体中的总有机碳(TOC)指标,又可对
水体中的总碳(TC)、总无机碳(TIC)、溶解态有机
碳(DOC)、颗粒态有机碳(POC)、可挥发性有机碳
(VOC)含量分别进行测定。2006年12月仪器通过
了山东省科技厅组织的鉴定(鉴定证书:鲁科成鉴
字[2006]第777号)。一年多来的应用实践表明,该
仪器具有性能稳定、测量精度高、成本低、使用寿命
长等优点,非常适合我国环境监测与环保科研的实
际需要,符合国家环保总局2000年12月发布的《环
境监测仪器发展指南》与国家计量检定规程JJG821
—2005{总有机碳分析仪》的要求。
2 工作原理
TOC一2000D型多功能碳含量测定仪的
工艺
钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程
流
程框图如图1所示。由载气发生器(1)产生无碳的
清洁空气,通过选择阀(6.2)进入系统,携带流体前
进。当需要测定水样中总碳(TC)、总无机碳(TIC)
和总有机碳(TOC)时,可将样品分别装入TC进样
器(2)和IC进样器(5)。TC进样器(2)中的样品通
过选择阀(6.1)和进样头(7.1)进入燃烧氧化器(8),
样品中所有的碳在高温下可全部被氧化成CO:;IC
进样器(5)中的样品通过进样头(7.2)进入酸化反应
器(9),其中的无机碳通过化学反应生成C0:。上述
两路含CO:的流体,通过选择阀(6.3),先后分别被
导人离子阱(10)以消除可能干扰CO:探测的阴离
作者简介:徐惠忠.男,1961年12月出生.烟台大学环境与材料学院教授。烟台大学环保仪器研究所所长。E—mail:xhzo@ytu.edu.cn
万方数据
碳纳米管修饰电极的现状
作者: 杨百勤, 李靖, 杜宝中, Yang Baiqin, Li Jing, Du Baozhong
作者单位: 杨百勤,李靖,Yang Baiqin,Li Jing(陕西科技大学化学与化工学院,西安,710021), 杜宝中
,Du Baozhong(西安理工大学应用化学系,西安,710054)
刊名: 分析仪器
英文刊名: ANALYTICAL INSTRUMENTATION
年,卷(期): 2008(5)
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引证文献(2条)
1.陈丽娟 纳米材料修饰电极在电化学分析中的应用研究进展[期刊论文]-化学研究 2010(5)
2.周娟.刘敏 多壁碳纳米管修饰丝印电极的制备及在尿酸测定中的应用[期刊论文]-兰州大学学报(自然科学版)
2009(3)
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