聚丙烯腈基含氮共轭多孔材料制备及其生物传感应用研究

本项目提出合成多孔含氮共轭材料的新思路：热解聚丙烯腈制备多孔材料，合成的材料具有类似氮掺杂碳纳米管（NCNT）的含氮有机共轭结构，并具有类似NCNT的物理、化学性质，如高电导率、高比表面积、高稳定性、高生物相容性等优点。与NCNT相比，聚丙烯腈热解材料具有多孔结构，能够提供大的活性表面，制备温度低，工艺简单，前驱体价格便宜、结构多样化等优点；制备过程中不使用金属催化剂，产物无需纯化，是构建生物传感器的理想材料。以此聚丙烯腈热解材料用作电化学传感器电极材料，用于氧、过氧化氢、NADH等生物分子的电催化检测，以辣根过氧化物酶（HRP）为模型蛋白质，考察氧化还原蛋白质固定在热解聚丙烯腈电极表面后生物催化活性的保持情况，提高相应电化学传感器的灵敏度、选择性、保存长效性和分析结果的平行可靠性等，为发展高性能、高稳定性的电化学传感器提供理论与应用基础。

本项目围绕多种新型氮碳纳米材料的设计合成及其在电化学生物传感器与储能器件中的应用开展研究。①控制合成出具有设定化学结构与组成、分子量可控的含氮聚合物中空球，经中温热解制成具有适宜颗粒形貌、表面积、电导率、含氮量及氮掺杂形态的氮掺杂碳多孔中空球。研究这种氮掺杂碳多孔中空球形貌与性能控制合成的基本规律及其制备机理，考察其催化氧还原、同时检测生物小分子多巴胺和尿酸以及固定氧化还原蛋白质（漆酶、葡萄糖氧化酶等）后的催化活性、影响规律和催化反应机理，提高相应电化学传感器的灵敏度、选择性、保存长效性和分析结果的平行可靠性等。②这种氮掺杂碳多孔中空球具有电导率高，比表面积大，价格低廉等优点，在超级电容器方面具有很好的应用前景。为进一步增加材料的含氮量、比表面积和粉末电导率，我们在含氮聚合物中空球的热解过程中加入尿素，制得新型氮碳纳米片层材料，其比电容高达135.8 F•g-1，是优良的超级电容器和电化学传感器电极材料。③利用天然生物高聚物的有序多级孔结构，将其作为模板，合成新型多孔纳米半导体材料（石墨相氮化碳）；同时，利用天然生物高聚物的生物多样性和复杂性，对石墨相氮化碳进行不同的掺杂，使其具有高的载流子流动性、光子捕获力、光生电子-空穴对的分离效率和光致发光量子产率，在太阳光照射下其催化活性增加近300 %。④利用氮掺杂碳纳米管作为载体，与壳聚糖机械混合后分别固定漆酶和葡萄糖氧化酶，组装成生物电极，考察这两种酶修饰电极的直接电化学行为及其分别对氧还原和葡萄糖氧化的电化学催化性能。用这两种酶电极分别作为阴极和阳极构建葡萄糖/空气生物燃料电池，考察了这两种酶电极的重现性、长期稳定性以及组装成生物燃料电池后的电池性能。这种生物燃料电池，在放电电压为0.2 V时，其最大输出功率密度为21 μW•cm-2，有望为植入式微型设备提供能量。.迄今为止，本项目在国内外核心期刊发表署名本课题资助的SCI论文9篇，其中IF＞6.0 论文1篇；申请国家发明专利2项。参加学术会议累计15人次；培养硕士4名；正在指导硕士生2名。