富勒烯衍生物的电催化和传感研究

As a kind of novel carbon nanomaterials, fullerenes have demonstrated widely applicable prospects due to their peculiar structures and properties. The key to realize the application of fullerenes is fullerene derivatization. In this project, fullerene derivatives including fullerenols, fullerene carboxylate derivatives and fullerene amine derivatives will be synthesized by controlled-potential electrolysis and their electrochemical properties will be investigated. The electrodes modified with electrodeposited products of fullerene derivatives will be prepared and electrocatalysis for hydrogen evolution reaction (HER) at these modified electrodes will be explored. Effects of kinds and numbers of various addition groups on electrocatalytic performance of HER will be studied. The work is novel because so far only one paper has been reported about this by our group. In the mean time, interaction between the synthesized fullerene derivatives and biomolecules will be studied to construct electrochemical sensors. Not only the study is helpful in exploring the new methods of fullerene derivatization, understanding the electrochemical properties of these new nanomaterials is helpful to provide the theory basis for construction of electrocatalytic and sensing interfaces; but also the study founds a base for their applications in the fields of energy conversion and sensing. The project is one new task with theoretical and practical significance. In the mean time, the study also lays a foundation for one of hot topics in current chemistry research field: synthesis and applications of the carbon-based material. The project is an initiative research, and it has extremely important theoretical significance and research value.

富勒烯作为一种新型纳米碳材料，由于其独特的结构和性质，显示了极为广阔的应用前景。而富勒烯的衍生化是实现富勒烯应用的关键。采用控制电位电解合成富勒烯的衍生物（包括富勒醇、羧基衍生物和胺基衍生物），考察衍生物的电化学性质，制备富勒烯衍生物电还原产物的化学修饰电极，研究其对析氢反应的电催化。探索加成基团的种类和数目对电催化析氢性能的影响。目前有关这方面的研究仅有我们之前的一篇报道，具有很强的创新性。同时研究这些水溶性的富勒烯衍生物与生物分子的相互作用，构建电化学传感器。这方面的研究不仅有助于探索富勒烯衍生化的新方法，了解这类纳米材料的电化学性质，为构建电催化和传感界面的研究提供理论依据，为其在能源转化和传感领域的应用奠定基础，是一个具有理论和实用意义的新课题。同时也为当前化学领域的研究热点之一:碳基材料的合成和应用研究打下基础，是一项开拓性的研究，具有十分重要的理论意义和研究价值。

在研究富勒烯的衍生物对析氢反应的电催化时，发现富勒烯碳笼上羟基数目太少，电催化性能不好，羟基数目太多，好的溶解性引起不容易固定在电极表面，导致催化性能不好。因而我们继续探索纳米结构的二硫化钼及其复合物的电催化，开展基于纳米二硫化钼的电化学传感以及用于辐射防护剂的研究；同时开展了电沉积制备过渡金属析氢和析氧催化剂。在本项目中，我们用超声和梯度离心制备的层状二硫化钼-硫堇复合物构筑了检测DNA的电化学传感器；提供了一种通过研磨和电化学活化的简便方法将磷化钼表面氧化层转化为活性磷化钼，从而提高磷化钼的实际氢析出电催化活性；合成了半胱氨酸修饰的二硫化钼纳米颗粒，有助于消除体内因辐射产生的活性氧等自由基和修复DNA的损伤，在作为辐射防护剂方面显示了应用潜力。我们通过简单的溶剂热合成方法制备了超小的二硫化钼-金的纳米复合物（平均粒径2.5 nm），显著提高了其对析氢反应的电催化活性。我们的工作提供了合成杂化的二硫化钼，从而改善析氢活性的新方法。二硫化钼-金的纳米复合物对过氧化氢和氧气的还原有更高的电催化活性，可以有效地增强其抗氧化活性和辐射防护效果。通过简单的一步电还原沉积法，并通过改变通氮和不通氮的沉积条件，制备得到的铁-钴复合膜，在碱性溶液中分别表现出优异的析氢和析氧催化活性和稳定性。电沉积制备的Mo3S13修饰电极表现出对氢析出反应优良的电催化性能。.在本项目中，我们系统地开展了纳米二硫化钼复合材料在电化学传感和电催化方面的研究，利用电沉积的方法制备了高效电解水的催化剂。这些不仅丰富了电催化剂的相关研究，而且拓展了二硫化钼纳米粒子作为辐射防护剂方面的应用潜力，具有重要的理论意义与应用价值。