面向电化学催化和传感的过渡金属纳米结构

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糖尿病是一种以高血糖为特征的疾病。慢性高血糖会导致患各种疾病的风险增加,如肥胖、动脉粥样硬化、肾衰竭、中风、冠心病和神经性疾病等,严重危害人体的健康。因此将血糖水平保持在正常的范围内(3–8 mmol L-1)是非常有必要的,这首先便需要一种准确灵敏的葡萄糖传感器。在检测葡萄糖的各种方法中,无酶葡萄糖电化学检测法因其灵敏度高、检测范围广等优点得到了人们的青睐。相比于其他材料,过渡金属硫化物由于独特的形貌结构以及丰富的电子通道,有利于进行电化学传感器的研究,本文研究了过渡金属硫化物在葡萄糖检测中的应用。随着社会的进步与发展,传统化石能源已经很难满足人们日益增长的能量需求,因而寻找一种能够替代化石能源的新能源迫在眉睫。各种绿色能源如太阳能、风能、潮汐能等已经得到了人们的重视和开发,同时此类资源偶然性强、可持续性较差,因此需要开发一种高效稳定的电池系统将各种绿色能源转化为电能储存起来。在各种电池当中,锂离子电池(LIBs)因其优异的性能引起了人们的关注。而电极材料的种类及相应材料结构的组成对于锂离子电池性能的提升尤为重要。在考虑将各种绿色资源转化为电能储存起来的同时,人们还在致力于寻找新的清洁能源,其中氢气便是一种理想的清洁环保能源。由于人类很难从自然界中直接获取氢气,因此解决高效制氢的问题已经提上日程。在各种制氢工艺当中,电解水制氢(HER)工艺既清洁又快速,而该工艺的关键便是要寻找一种合适的催化剂。在各种HER催化剂中,过渡金属硫化物具有典型的层状结构以及丰富的电子通道,有利于电催化反应的进行。本文将过渡金属硫化物作为HER反应催化剂,并得到了良好的效果。具体工作如下:(1)本实验通过一步水热法合成了由纳米片组装成的花状N-MoS2纳米材料。当N元素掺杂到MoS2纳米片中之后会显著改善纳米片的结构,不仅能够增强材料的边缘效应,还能够增大材料在电解水析氢反应中的活性位点数量。花状N-MoS2纳米材料在酸性条件下表现出优异的HER性能。当电流密度为10 mA cm-2时其过电位可低至114 mV。同时,此类材料表现出了优异的稳定性,在经过了5个小时的工作后催化电流仍然保持在10 mA cm-2左右。并且经过5000次的循环扫描后,LSV曲线能够很好的与第一圈相重合,说明该纳米材料具有非常理想的循环寿命。(2)本论文通过简单的一步水热法合成了VS2@CNTs纳米复合材料,并将其作为锂离子电池负极材料进行了电池性能的测试。其初始的充放电容量分别为460 mAh g-1和970 mAh g-1,相应的库伦效率为47.4%。在低的电流密度(0.1 A g-1)下,经过实验计算得知其电容量为1133 mAh g-1,而当电流密度达到2 A g-1时,仍然表现出了非常可观的电池容量(610 mAh g-1)。在充放电循环达到200圈左右的时候,材料的电容量仍然保持良好的稳定状态。通过对材料进行XPS、SEM、TEM、EDS等测试,充分证明了该纳米复合材料的结构和元素的组成与所预期的结果相一致。并且这种新型的结合方式也为锂离子电池负极材料的发展做出了一定的贡献。(3)本实验通过回流法配合高温煅烧的方法成功合成了具有棒状结构的NiMoO前驱体,并且通过化学沉积配合一步水热法得到了柔性NiMoS@GO Paper(NiMoS-GP)材料。通过SEM、XRD、XPS等表征手段验证了所合成材料的形貌和元素组成及其键合状态等特征。该NiMoS-GP纳米材料应用在葡萄糖传感器当中表现出良好的稳定性和抗干扰能力,其检测范围在0.01 mM-0.8 mM之间,最低检出限(LOD)为113 nM。本实验中所合成的这种材料是一种柔性的纳米材料,可以直接作为工作电极来进行葡萄糖的测试,并且还能够满足各种环境下的检测工作。
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