聚吡咯/Pd(Au,Pt)@HSiO1.5复合电极的一体化构建及协同催化机制研究

Hydrogen peroxide pollution has become a serious environmental issue, which is a serious threat to human health and environment. This project is aim at the fabrication of a novel electrochemical sensor with high catalytic activity and high sensitivity for detecting hydrogen peroxide. For this purpose, integration of polypyrrole/Pd(Au,Pt)@HSiO1.5 composite electrodes are fabricated by induced polymerization with pyrrole as the precursor, ferric chloride as the initiator and nano hierarchically porous Pd(Au,Pt)@HSiO1.5 composite particles as the framework. This project is focused on researching the synergistic catalysis mechanism between polypyrrole and Pd(Au,Pt) on hydrogen peroxide by advanced electroanalytical techniques. Hydrogen peroxide will be systematically investigated by polypyrrole/ Pd(Au,pt)@HSiO1.5 composite electrodes. The kinetics and electrochemical process of electrocatalying hydrogen peroxide will be deeply studied by obtaining its electrochemical response and characteristic signals. This project is anticipated to reveal the synergistic catalysis mechanism between polypyrrole and Pd(Au,Pt) on electrocatalying hydrogen peroxide. This project provides an important scientific basis for researching synergistic enhancement mechanism of electro-catalyzing hydrogen peroxide between polypyrrole and precious metal, and lay a theoretical foundation.

针对严重影响环境和人类健康的过氧化氢污染这一重大问题，本项目提出以吡咯为前驱体，空心笼状纳米Pd(Au,Pt)@HSiO1.5复合颗粒为骨架，三氯化铁为引发剂，诱导聚合得到一体成型的聚吡咯/空心笼状纳米Pd(Au,Pt)@HSiO1.5复合电极。通过以过氧化氢为研究对象，结合多种电化学分析技术，利用聚吡咯/空心笼状纳米Pd(Au,Pt)@HSiO1.5复合电极对过氧化氢进行研究分析，获得过氧化氢电催化氧化的电化学响应和特征信号，探讨聚吡咯和贵金属Pd(Au,Pt)对过氧化氢电催化动力学和电化学过程，揭示聚吡咯和贵金属Pd(Au,Pt)对过氧化氢电催化的协同机制。预期构筑一种对过氧化氢具有高效催化活性和高灵敏度的新型纳米多级孔电化学传感器，实现对过氧化氢的高效催化分解和快速定量检测分析。同时为研究聚吡咯和贵金属电催化过氧化氢相互协同增强机制提供重要科学依据和奠定理论基础。

贵金属具有优越的催化活性和导电性，是制备过氧化氢电化学传感器的理想电极材料，但是单体Pt、Au、Pd等贵金属纳米粒子的活性面积有限。因此，利用多级孔纳米孔材料负载钯等贵金属，既能够获得高效催化活性的复合催化剂从而提高了H2O2检测性能，也能够减少贵金属的使用量而达到降低成本的目的。.本项目采用了动态模板法制备出空心笼状的纳米多级孔硅氢化合物（HSiO1.5）颗粒，利用其表面拥有大量具有还原性的硅氢键，在不需要还原剂的情况下，在纳米多级孔二氧化硅颗粒表面均匀负载上贵金属Pd(Au, Pt)纳米颗粒，从而得到空心笼状纳米Pd(Au, Pt)@HSiO1.5复合颗粒。以吡咯为前驱体，空心笼状纳米Pd(Au, Pt)@HSiO1.5复合颗粒为骨架，三氯化铁为引发剂，诱发聚合得到一体成型的聚吡咯/空心笼状纳米Pd(Au,Pt)@HSiO1.5复合电极。在对H2O2检测分析实验过程中，该电极对H2O2的检测分析结果不是很理想，检测背景信号较大，检测重复稳定性不够。究其原因主要是硅导电率不够理想，影响电极电子的转移速率。为此，课题组采用多孔碳为骨架载体，成功制备出多级孔碳纳米材料（HNCMs），该材料具有比表面积大、孔结构丰富、导电性强、以及水热稳定性好的特点；然后进一步负载贵金属Pd，得到HNCMs-Pd；通过同样的制备方式和对制备条件的优化最终实现了基于H2O2检测最优的复合电极电化学传感器1-PPy/1-HNCMs-PD/GCE的构建；在较低浓度（0.1~10.0 µM）范围内，Ipc电流与H2O2浓度呈线性关系，检测限为0.0871 µM (S/N=3)；同时，复合电极具有良好的选择性。.在此基础上，本项目也以自制备的四氧化三钴纳米片和铜纳米片为活性物质分别得到Co3O4/GCE修饰电极和Cu/GCE修饰电极，分别考察了修饰电极对H2O2及多巴胺的电化学检测性能。优化后的Co3O4/GCE电极电流响应值与H2O2浓度在0.01-0.2 mM范围内具有线性关系良好，检测限为6.53 µM (S/N=3)。在Cu/GCE对多巴胺的电化学分析中，其氧化峰电流随多巴胺浓度在0.2-2.21 mmol/L范围内呈线性增加，检出限为62.4 µmol/L (S/N=3)。结合抗干扰试验的结果，表明所构建的Co3O4/GCE和Cu/GCE具有良好的选择性、敏感性和稳定性。