多组分贵金属基纳米颗粒在电化学非酶葡萄糖自供能传感及产氢性能研究.pdfVIP

多组分贵金属基纳米颗粒在

电化学非酶葡萄糖自供能传感及产氢性能

研究

摘要

贵金属基纳米材料在有机催化、燃料电池电极反应、储氢、生物医药等领域发挥着

重要作用。葡萄糖作为一种来源广泛，存在于人体中的丰富有机化合物，可作为燃料提

供生物质能，作为一种有用的阳极反应，实现检测人体血糖浓度和辅助作用。基于糖尿

病的广泛性，实时检测血糖浓度尤为重要。因此，本论文主要开发合成新颖的多组分贵

金属基纳米材料，探索其对葡萄糖的电化学催化及非酶葡萄糖传感性能，实现无酶传感

与供能一体化，并开发其在葡萄糖辅助产氢中的应用。主要研究内容如下：

1、基于金纳米簇/钯纳米立方体二组分异质结金属纳米颗粒（AuNC/PdNCs）的电

化学非酶葡萄糖自供能生物传感器。首先，采用化学还原法，以氯钯酸钠为前驱体、抗

坏血酸为还原剂、PVP为模板剂合成形貌和尺寸均一的钯纳米立方体（PdNCs）。再将

氯金酸前驱体和PdNCs进行混合并还原，得到AuNC/PdNCs。HRTEM、AC-HAADF-TEM

和同步辐射（XAS）等结果表明，Au是以类似岛状的纳米簇（AuNCs）附着在Pd纳米

立方体上。所得AuNC/PdNCs材料具有较好的类葡萄糖氧化酶的活性。另外，

AuNC/PdNCs-0.06%在电化学葡萄糖氧化中具有较高的响应电流（是PdNCs的1.4倍），

展示了非常好的电催化性能，同时其所构建的电化学无酶葡萄糖传感器也展示了更高的

灵敏度，是PdNCs的3.4倍。以AuNC/PdNCs-0.06%作为阳极组装的葡萄糖/O2燃料电

池具有稳定的输出功率达1.76μWcm–2，通过对比天冬氨酸、乳糖等多种常见干扰证明

其对葡萄糖具有优异的选择性。在连续测试35天后，所得自供能传感器的响应电流强

度仍保持较好，展示了良好的稳定性。AuNC/PdNCs-0.06%优异的催化和传感性能主要

归因于AuNCs的高催化活性以及PdNCs和AuNCs之间的协同催化效应。

2、磷掺杂的PtFeCoCuMo五元高熵合金纳米颗粒（P-HEANPs）在电化学无酶葡

萄糖传感及葡萄糖辅助产氢方面的性能研究。采用一锅共还原法将Pt、Fe、Co、Cu、

Mo5种金属的乙酰丙酮盐化学还原合成五元高熵合金纳米颗粒，并通过掺入富电子的

磷元素调控纳米颗粒的电子结构，研究其对葡萄糖的电化学催化、传感和辅助产氢性能。

利用XRD、TEM、XPS和ICP-OES等手段对材料的结构、形貌、价态和化学组成等进

行表征。通过研究不同P含量，发现磷含量为16atom%的P-HEANPs对葡萄糖氧化性

能最佳。基于P-HEA-16%NPs构建的无酶葡萄糖传感器具有较高的灵敏度（3.43μA

mM-1cm-2），同HEANPs（1μAmM-1cm-2）相比明显增强了3.4倍，具有低的检测限（5

μM，S/N3），且在常见干扰物质蔗糖、天冬氨酸等并存的情况下，仍能保持对葡萄糖

高选择性检测。此外，该材料也具有良好的电化学析氢性能，质量活性高达898mA/mgPt。

由于P-HEANPs具有电化学葡萄糖和析氢具有双功能性，因此研究了其在电化学葡萄

−2

糖辅助产氢的应用。P-HEANPs在10mAcm下过电位为1.38V，比相同电流密度下

水分解中OER氧化电位低180mV。P-HEA-16%NPs高效的催化性能主要归因于P的

高电负性有助于P原子从金属d轨道上吸引电子，从而增强P-HEANPs对葡萄糖的吸

附和质子捕获能力，使得材料具有高效的葡萄糖催化及析氢能力。

【关键词】：贵金属合金纳米材料；杂原子掺杂；电化学无酶传感；自供能传感；生物

质辅助产氢

Multicomponentnoblemetalbased

nanoparticlesforelectrochemical

non-enzymaticself-poweredbiosensingfor

glucoseandhydrogen