资源描述：
《碳纳米材料在电化学传感器中的应用.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、碳纳米材料在电化学传感器中的应用研究摘要由于碳纳米材料具有良好的力学、电学及化学性能而被人们广泛研究，特别是对于具有大比表面积、高的电导率和良好生物相容性的碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯更是研究的热点。这些新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域，特别是在电化学领域中显示出其独特的优势。本文主要阐述了碳纳米材料在电化学传感器领域的应用。关键词碳纳米管石墨烯电化学传感器1电化学传感器概述电化学传感器主要由两部分组成：识别系统；传导或转换系统。识别系统与待测物的某一化学参数（常常是浓度）与传导系统连结起来。它主要具有两种功能：选择性
2、地与待测物发生作用，反所测得的化学参数转化成传导系统可以产生响应的信号。分子识别系统是决定整个化学传感器的关键因素。因此，电化学传感器研究的主要问题就是分子识别系统的选择以及如何反分子识别系统与合适的传导系统相连续。电化学传感器的传导系统接受识别系统响应信号，并通过电极、光纤或质量敏感元件将响应信号以电压、电流或光强度等的变化形式，传送到电子系统进行放大或进行转换输出，最终使识别系统的响应信号转变为人们所能用作分析的信号，检测出样品中待测物的量。最早的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代，当时用于氧气监测。到了20世纪80年代中期，小型电化学传感
3、器开始用于检测PEL围的多种不同有毒气体，并显示出了良好的敏感性与选择性。目前，为保护人身安全起见，各种电化学传感器广泛应用于许多静态与移动应用场合。2碳纳米材料——碳纳米管和石墨烯随着科学技术的进步,研究者发现空间尺寸在0.1-100nm之间的物质拥有很多宏观状态下没有的特性[1]。我们把这些具有一定功能性、三维空间尺寸至少有一维介于0.1-100nm之间的一类物体统称为纳米材料。它是由纳米微粒、原子团簇、纳米丝、纳米管、纳米薄膜或由纳米粒子组成的块体。由于具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点,以及其特有的量子尺寸效应[
4、2,3]、体积效应[4]、表面效应[5]和量子隧道效应[6]等特性,纳米材料在光学、热学、催化、光化学以及敏感特性等方面具有一系列特殊的性质,因此它具备其它一般材料所没有的优越性能,可广泛应用于电子、医药、化工、生物、军事、航空航天等众多领域,在整个新材料的研究应用方面占据着核心的位置。碳是一种非金属元素,位于元素周期表的第二周期IVA族。作为地球上最容易得到的元素之一,碳元素以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。碳单质很早就被人认识和利用,它在常温下的化学性质比较稳定,不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂。利用现代科技的不同制备方法,我们可以制备出不同独
5、特空间结构和特异性能的碳纳米材料,其中包括零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯和三维的石墨或金刚石。依靠独特的空间结构和优异的化学性能,它们可以应用于各个领域中。接下来我们主要介绍一下碳纳米管和石墨烯。2.1碳纳米管CNTs是1991年日本电镜学家Iijima在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧中产生的C60时首次发现的，它是一种纳米尺度的具有完整分子结构的一维量子材料，可以看成是由类似石墨的平面围绕中心轴卷曲而成的无缝中空管，顶端是由碳五元环和六元环构成的管帽。其中每个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子以σ键相互键合。根据管壁的层数可以分
6、为单壁碳纳米管（Single-walledcarbonnanotubes，SWCNTs）和多壁碳纳米管（Multi-walledcarbonnanotubes，MWCNTs）。其中MWCNTs相邻的层之间的间距相当，约为0.34nm。根据CNTs中碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿型、扶手椅型和手性型三类[6],具体结构见示意图1。正是由于CNTs尺度、结构和拓扑学等方面的特殊性，使它既不是典型的微观系统，也不是典型的宏观系统，它具有许多奇特的物理、化学性能和潜在的巨大应用前景，目前已成为物理学、化学和材料学等领域的研究热点之一。图1几种不同
7、类型的碳纳米管:(a)椅型管,(b)锯齿管,(c)手性管2.1.1碳纳米管的电化学性质和制备方法电化学研究工作中一直大量使用碳质材料作为导电和电活性材料，且该材料已在传感器、电池、电容器、电合成、储能等领域广泛应用。CNTs具有小的半径，非常高的比表面积、导电性能和良好的机械性能，是电化学领域所需的理想材料。CNTs由于其独特的电子特性和表面微结构，在电化学方面有着广阔的应用前景。（1）CNTs的管径小，比表面积非常高，特别是理想状态的SWCNTs，其组成原子全部为表面原子，用它来修饰电极将使电极的真实表面积大大提高，为电化学反应提供充足的反应场所
8、。（2）CNTs具有碳质材料稳定的化学和电化学性能。同时，较之传统的碳质材料，CNTs中电子转移的动力学行为更好，接近理想
