不锈钢纳米阵列的制备、改性及光电化学传感性能

This project will investigate building photoelectrochemical sensing interface by synthesizing nanoearrays（NAs） on stainless steel. This nanopore arrays and nanoflake arrays are prepared by anodization, hydrothermal treatment(Ht) and annealing. The laser-shock and Ht are used to improve the photoelectrochemical activities of NAs on stainless steel from Ti doped NAs, Ag deposited NAs, Cu2O composited NAs and graphene sheets decorated NAs. These surface modifications will be proved to be effective ways to improve the photoelectrochemical sensing properties of stainless steel electrode under visible light. The photoelectrochemical analysis of dopamine, ascorbic acid and uric acid, aniline and other biological small molecules and toxic pollutants are performed to investigate the sensitivity, stability and selectivity of the stainless steel electrode. The photocatalytic activities of the stainless steel electrode against contaminants will be also investigated using light irradiation, which displays self-cleaning activity with longer service life and reproducibility. This research provides a new routine to fabricate photoelectrochemical electrode with high sensitivity, stability and selectivity, which can be applied as sensors used in rapid detection of biological molecules and environmental contaminants. It will be a promising approach to meet the broad application in the future.

本项目拟在不锈钢表面制备纳米阵列构建光电化学传感界面。通过调控阳极氧化、水热和热处理工艺条件，实现对不锈钢基底上纳米阵列的形貌、组成和微观结构的可控制备，并在此基底上利用水热合成与激光冲击技术得到Ti掺杂、Ag沉积、Cu2O复合及石墨烯基修饰的纳米结构阵列，以提高不锈钢电极的光电化学活性，使不锈钢在可见光照条件下得到良好的光电化学传感性能，以不锈钢电极作为光电传感器实现对多巴胺、抗坏血酸、尿酸、苯胺等生物小分子和有毒污染物的光电化学检测，研究不锈钢电极的光响应能力、检测灵敏度和选择性。所制备的不锈钢电极材料具备自清洁性能可以反复利用，使用寿命长，重现性好。本项目研究为设计和发展高灵敏度、高稳定性、高选择性的新型光电化学电极和光电化学传感器提供研究基础和理论依据，可用于生物分析和环境污染物的快速检测，将具有广阔的应用前景。

光电化学传感器因具有灵敏度高、选择性高、精度高、响应速度快等优点而广泛应用于环境保护、食品安全、临床诊断等领域。电极材料是构建光电化学传感器件的核心，而半导体材料是重要的光电化学电极材料之一。其中，Fe2O3的价带能级低，氧化性弱，对生物分子和环境有机污染物的检测不会造成影响，因此，发展高活性的Fe2O3半导体光电化学材料具有广阔的应用前景。不锈钢材料具有良好的耐蚀性、成型性和导电性能，还可以提供大量的Fe源在表面生成垂直定向的Fe2O3纳米结构阵列薄膜。并且，对Fe2O3纳米结构进行改性后，可以提高Fe2O3纳米半导体的光电化学活性，降低半导体光催化剂中电子和空穴的复合速率，改善半导体导电性和电荷传输。本项目首次提出构建不锈钢光电化学传感界面，利用阳极氧化法和电化学循环伏安法在不锈钢表面制备出了纳米孔/纳米针纳米阵列结构，以不锈钢纳米阵列功能材料为主要介质，依次通过电化学沉积、化学沉积的方法在不锈钢表面形成Ag/TiO2/Graphene的纳米复合结构，结果表明，复合结构中不锈钢表面纳米孔结构没有被破坏，并且在可见光范围内光电流响应具有显著增强。同时，直接使用化学气相沉积法在不锈钢纳米阵列表面生长碳纳米管，无需添加外来催化剂，所制备的碳纳米管与不锈钢基底结合牢靠，碳管之间相互缠绕连接紧密，以经过表面氧化处理的碳纳米管为电极，对尿酸分子的检测表现出良好的分析性能，能够在大量抗坏血酸存在的条件下选择性的测定尿酸。此外，以气相沉积制备的316L不锈钢/碳纳米管（CNTs）为基底，通过电化学沉积的方法制备氧化锰/碳纳米管复合材料，结果表明，制备的复合结构具有优异的电容性能和电容稳定性。基于上述研究，为制备高灵敏度的光电化学传感器奠定了理论与实验基础，同时也在保持不锈钢的机械性能的基础上拓展了不锈钢材料的使用领域，具有巨大的应用潜力和广阔的市场前景。本项目已在SCI期刊上发表研究论文18篇，申请国家发明专利5项，培养博士研究生4名，硕士研究生11名。