硼碳氮系有序介孔材料的制备与电化学生物传感研究

以SBA-15为硬模板，以甲胺和三氯环硼氮烷作硼和氮的前躯体，制备硼碳氮有序介孔材料，高温氧化得到介孔氮化硼；以CMK-3为模板与氧化硼发生高温反应，控制前躯体组分配比合成 BCN、BN有序介孔材料。利用吸附-脱附分析、IR、XRD、TEM、HRTEM、FE-SEM等系统地分析硼碳氮系多元有序介孔材料的微观结构。探讨适宜有机官能团实现对硼碳氮系介孔材料的化学功能修饰。利用恒流进行充放电研究和循环伏安法深入揭示硼碳氮系有序介孔材料的储氢机理及物理化学内涵。将硼碳氮系介孔材料应用于生物传感器,采用吸附法将葡萄糖氧化酶分子固定到有序介孔材料中，制备葡萄糖电化学传感器。深入研究硼碳氮系有序介孔材料修饰电极酶传感器的电化学特性与物理化学过程。利用硼碳氮系有序介孔材料对葡萄糖氧化物酶的直接电催化及共同对H2O2的电催化,提高电极的灵敏度及稳定性,研制性能良好的硼碳氮系有序介孔材料修饰酶过氧化氢传感器。

硼碳氮系介孔材料因其优异性能和潜在的应用前景吸引了国内外科学家的广泛关注。如何实现硼碳氮材料的宏量制备、掺杂、修饰、结构调控是需要迫切解决的课题。本项目分别对氮化硼纳米管(BNNTs)、氮掺杂介孔碳(OMC)、多元金属修饰OMC、金属氧化物/OMC材料、金属离子掺杂氧化物等的制备，及其在生物传感、储氢、锂离子电池、光催化、燃料电池等的应用进行了系统的研究。以化学方法采用Pani对BNNTs进行功能修饰，制备了GC/BNNTs-Pani-Pt-GOD生物传感器；以贵金属纳米粒子均质修饰OMC，提高了材料的电化学储氢性能，所制备NiFex/OMC、PtRu/OMC材料的储氢能力为411.8 - 422 mAh/g；将PtFex纳米粒子修饰OMC应用于燃料电池，PtFe3/OMC的电流密度为0.66 mA/cm2，功率密度为237.2 mW/cm2；Mn3O4/OMC锂离子电池负极材料表现出优异的倍率性能和循环稳定性，50个循环后比容量保持为802mAhg-1，是Mn3O4的5.4倍；设计了介孔氧化锡负极材料，在40次循环后，放电容量为557 mAhg-1，库伦效率达到99%以上；采用一步和两步化学反应法实现了对NiO/OMC复合结构的控制，20NiO/CMK-3材料到50循环时，容量稳定在750mAhg-1，在1600mAg-1的大电流密度下，能保持200mAhg-1的容量；MoO2/OMC的首次放电容量1641.8 mAhg-1，首次库伦效率63.6 %，50个循环后仍保持1049.1mAh g-1的容量，1600 mAg-1的高电流密度下，50个循环后容量保持在600 mAhg-1，是纯OMC的11倍；系统研究了掺杂介孔TiO2材料的制备与光催化性能，实现了对TiO2结构、比表面的控制，随着W含量的增加，W掺杂的介孔TiO2样品的光吸收边逐渐向较低的能带转移，主要归因于电荷在金属离子电子和TiO2导带或价带间的转移，W掺杂减小了光生电子空穴复合几率，将其光响应区间移至可见光区，提高了介孔TiO2的光催化活性。本项目在J Mater Chem, Appl Phys Lett, Carbon, J Phys Chem C, Inter J Hydrogen Energy, ACS Appl Mater Inter，Mater Chem Phys等期刊共发表论文18篇。