基本信息
- 项目名称：
- 基于石墨烯-血红素复合物的氧气电催化还原研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 我们通过非共价作用制备了石墨烯-血红素复合物，之后测试了其催化性能并进行了相关表征。发现石墨烯的引入使血红素的电催化活性有了显著提高。石墨烯的引入还使得血红素在电极上附着的稳定性大幅度提高，制备的复合物可以在搅拌等影响下保持传感效果，使血红素作为氧气、过氧化氢应用型传感器成为了可能。线性区间大，灵敏度高。比之前报道的最好的碳纳米管-血红素复合物的灵敏度提高了一个数量级，具有广阔的应用前景。
- 详细介绍：
- 氧气还原催化剂作为一种新能源材料，一直被人们研究，然而铂由于价格昂贵而且储量有限，限制了其大范围应用。 血红素是一种廉价、良好的氧气还原催化剂，其电极稳定性及催化活性都需要进一步提高。石墨烯有很好的电导率和二位平面结构，适宜作为电催化剂的基底。所以我们希望通过引入石墨烯增强其电催化还原活性和稳定性。进而制备成本较低的电化学催化剂和传感器。 工作中，我们通过非共价相互作用制备了石墨烯-血红素复合物，此方法简单易行，无副产物生成。之后，我们测试了其催化性能并表征了催化剂的相关性质。石墨烯的引入使血红素的电催化活性和稳定性有了显著提高。相比血红素，在还原电位上有近0.1V的提高。此提高相当于增大电池的电动势0.1V。石墨烯的引入还使得血红素在电极上附着的稳定性大幅度提高，制备的复合物可以在搅拌等影响下保持传感效果，使血红素作为氧气、过氧化氢应用型传感器成为了可能。 而且，形成的复合物在电化学传感氧气和过氧化氢的实验中有很好的表现，线性区间大，灵敏度高。此种复合物制成的传感器比之前报道的最好的碳纳米管-血红素复合物的灵敏度高一个数量级。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 氧气还原催化剂作为一种新能源材料，一直被人们研究，然而铂由于价格昂贵而且储量有限，限制了其大范围应用。 血红素是一种廉价、良好的氧气还原催化剂，其电极稳定性及催化活性都需要进一步提高。石墨烯有很好的电导率和二位平面结构，适宜作为电催化剂的基底。所以我们希望通过引入石墨烯增强其电催化还原活性和稳定性。进而制备成本较低的电化学催化剂和传感器。
科学性、先进性及独特之处
- •第一次报道血红素通过非共价作用结合石墨烯作为氧还原催化剂（审稿人意见中认为此研究原创性强） •复合显著提高了血红素氧还原的活性（还原电位正移0.15V，相当于增大燃料电池电动势0.15V） •复合显著提高了血红素氧还原的稳定性（方法简单，效果明显） •研究工作丰富了化学法制备石墨烯的应用范围
应用价值和现实意义
- （1）传感器： 检测氧气和过氧化氢在电化学、环境科学、食品工业、生命科学和工业界都有重要意义。石墨烯-血红素复合物可对水中氧气和过氧化氢的浓度进行传感，而且可通过加入酶催化剂检测葡萄糖。 （2）新能源催化剂： 基于我们的研究，可进一步制得廉价、性能优异的氧气还原催化剂（燃料电池正极材料）作为铂的替代产品。
学术论文摘要
- 石墨烯，作为二维的共价碳结构，有极好的力、热、电学性质。而且，石墨烯可以通过氧化剥离石墨，再进行还原制备，简单而低成本。 由于石墨烯有很高的电导率和平面二维结构，适宜作为电催化剂的基底。而且，石墨烯由于其大的共轭结构，可以通过π-π堆积作用吸附卟啉分子形成复合物。 工作中，我们通过非共价相互作用制备了石墨烯-血红素复合物，此方法简单易行，无副产物生成。之后，我们测试了其催化性能并表征了催化剂的相关性质。石墨烯的引入使血红素的电催化活性和稳定性有了显著提高。相比血红素，在还原电位上有近0.15V的提高。此提高相当于增大电池的电动势0.15V。石墨烯的引入还使得血红素在电极上附着的稳定性大幅度提高，制备的复合物可以在搅拌等影响下保持传感效果，使血红素作为氧气、过氧化氢应用型传感器成为了可能。 而且，形成的复合物在电化学传感氧气和过氧化氢的实验中有很好的表现，线性区间大，灵敏度高。此种复合物制成的传感器比之前报道的最好的碳纳米管-血红素复合物的灵敏度高一个数量级。
获奖情况
- 2011年3月被电化学领域重要期刊 Journal of Electro-analytical Chemistry接收。该刊物已被国际科学文献索引（SCI）权威检索收录，影响因子为2.58。
鉴定结果
- 科技查新报告显示：目前在国内外文献中，尚未见他人报道的与本次查新项目研究内容和方法一致的报道。评稿人评述认为这是世界上首次石墨烯与血红素复合的报导。
参考文献
- [1] M. M. Rahman, A. J. S. Ahammad, J. H. Jin, S. J. Ahn, J. J. Lee, Sensors 10 (2010) 4855. [2] C.F. Kolpin, H.S. Swofford, Anal. Chem. 50 (1978) 920. [3] Y.X. Li, X.Q. Lin, C.M. Jiang, Electroanalysis 18 (2006) 2085. [4] J.W. Liu, J.X. Qiu, K. Sun, J. Chen, Y.Q. Miao, Helv. Chim. Acta 92 (2009) 462. [5] J.S. Ye, Y. Wen, W. De Zhang, H.F. Cui, L.M. Gan, G.Q. Xu, F.S. Sheu, J. Electroanal. Chem. 562 (2004) 241. [6] M.J. Allen, V.C. Tung, R.B. Kaner, Chem. Rev. 110 (2010) 132. [7] S. Park, R.S. Ruoff, Nat. Nanotechnol. 4 (2009) 217. [8] Y.X. Xu, L. Zhao, H. Bai, W.J. Hong, C. Li, G.Q. Shi, J. Am. Chem. Soc. 131 (2009) 13490. [9] G.L. Turdean, I.C. Popescu, A. Curulli, G. Palleschi, Electrochim. Acta 51 (2006) 6435.
同类课题研究水平概述
- 检测氧气和过氧化氢在电化学、环境科学、食品工业、生命科学和工业界都有重要意义。燃料电池的作为一种清洁能源的发展方向，其正极催化剂材料一直以来被广泛研究，其中性能最好的要数铂催化剂。但由于铂价格昂贵而且储量有限，限制了其作为催化剂或传感器的大范围应用。所以我们需要寻找一种非贵金属的催化剂替代铂进行催化以及传感，非贵金属的配合物成为了很好的选择。 血红素是人体内血红蛋白的核心，化学结构是铁卟啉配合物。由于其价格低廉，性质稳定以及可以催化氧气、过氧化氢还原，血红素被广泛研究。但是，其催化活性和电化学稳定性并不令人满意。因此，为了提高其传感和催化性能，使其向替代铂的方向发展，血红素被固定到一系列基底上研究。但效果仍然有待提高。 近年来，随着2010年石墨烯的研究工作获得诺贝尔奖，越来越多的人开始关注这一结构简单，性能优异的碳材料。相关的研究层出不穷。石墨烯简单讲是单层的石墨，是一种全部由碳原子构成的二维平面片层，其力、点、热学性能均非常出色。气相真空沉积（CVD）方法生长的石墨烯缺陷少，性能优异，但其高昂的成本限制了其在应用方面的发展。而化学法制备石墨烯，过程简单，是大量制备石墨烯的首选方法。 因此，我们希望通过引入石墨烯，制成石墨烯-血红素复合物，改善血红素的电催化性能，使其进行电化学传感以及催化的能力有所加强。 本研究工作第一次以化学法制备的石墨烯作为基底，将其与血红素进行复合物，提高血红素的相关性能。制成的复合物在电催化和传感方面均有优异的表现，其催化活性有了较大提高，稳定性有了极大增强。值得一提的是，我们制备的复合物相比之前人报道的最好的碳纳米管-血红素复合物制成的传感器，灵敏度有一个数量级的提升。
