核壳结构纳米纤维阵列的制备、微观结构及电化学传感性能

电极材料的表面电化学活性和电子传输性能是影响其电化学传感性能的两个关键因素。本项目拟在导电基底上原位生长出石墨边平面大量暴露的TiO2@C、Si@C、TiC@C核壳结构的纳米纤维阵列，通过调控气相前驱物组成、反应温度和时间等制备工艺，实现对纳米纤维阵列的形貌、壳层石墨边平面暴露程度及内核组成的可控制备；考察壳层石墨边平面暴露程度和内核导电性能对其电化学传感性能的影响。采用循环伏安、脉冲伏安、安培检测及电化学阻抗等方法研究纳米纤维阵列的电化学行为，揭示电极材料的微观结构与其电化学传感性能之间的关系。以核壳结构纳米纤维阵列为传感器实现对多种重要生物小分子（如多巴胺、5-羟色胺、嘌呤）的电化学检测，并研究其对微流控芯片电泳安培检测灵敏度和分离柱效的影响。本项目研究为设计和发展高灵敏度、高选择性、高稳定性的新型电极材料及电化学传感器提供研究基础和理论依据，具有重要的科学意义和应用价值。

电极材料是电化学传感器件的核心，研制高活性的电极材料，对于电化学理论研究和电化学传感器的普及应用具有十分重要的意义。电极材料的表面电化学活性和电子传输性能是影响其电化学传感性能的两个关键因素。本项目在钛及钛合金基底上原位生长出石墨边平面大量暴露的TiO2@C、TiC@C核壳结构的纳米纤维阵列，通过调控气相前驱物组成、反应温度和时间等制备工艺，实现了对纳米纤维阵列的形貌、壳层石墨边平面暴露程度及内核组成的可控制备。以金属钛片为基底，通过高温热化学反应，无需催化剂，直接在钛片上一步合成核壳结构TiO2/C纳米纤维阵列。在不同热化学反应条件下，在金属Ti基底上可控制备出圆锥形和圆柱形的核壳结构TiO2/C纳米纤维阵列，这两种纳米纤维的电化学行为差异明显，圆锥形核壳结构TiO2/C纳米纤维阵列具有更高的电化学活性。结合材料的拉曼图谱和高分辨透射电镜，分析了核壳结构纳米纤维的微观结构与电化学性能之间的关系。以Ti6Al4V为基底，通过高温热化学反应直接在基底上生长出定向的核壳结构TiC/C纳米纤维阵列，Fe(CN)63-/4-电对在TiC@C纳米纤维阵列上表现出完全可逆的电化学行为，在扫速高达1000mV/s时，其循环伏安图的△Ep值仍然能保持59 mV，并且TiC/C纳米纤维阵列对多巴胺（DA）、尿酸（UA）和抗坏血酸（AA）等生物小分子都具有快速的电化学响应、很高的检测灵敏度和选择性。通过高温热化学反应在直径约20μm的Ti6Al4V微丝上生长出定向的TiC/C纳米纤维阵列，对NO的检测限比其它类型的微电极降低一个数量级以上，达到0.6 nM，线性范围为5~1000 nM，将Ti6Al4V微丝上生长的TiC/C纳米纤维阵列用于微流控芯片的检测器，实现了在三维水凝胶芯片上对内皮细胞NO释放过程的实时动态监测。在此微电极上通过化学沉积，得到负载了Pt纳米颗粒的TiC/C纳米纤维阵列，实现了对单个植物细胞中植物激素量子释放的高时空分辨监测。本项目研究了电极材料的微观结构与电化学传感性能之间的关系，为设计和发展高灵敏度、高选择性和高稳定性的新型电极材料及电化学传感器提供研究基础和理论依据。本项目已在SCI期刊上发表论文12篇，申请中国发明专利6项，培养硕士研究生4人，项目负责人在国内外学术会议上作口头报告4次。