掺氮石墨烯的结构与氮构型调控及生物传感器研究

Graphene through nitrogen doping will display more excellent biocompatibility and higher activity. It is undoubted that design and synthesis of nitrogen doped graphene(NG) with high specific surface area can further demonstrate its outstanding performance, and greatly broaden its application area. Considering these aspects, on the basis of synthesis of three dimensional(3D) NG using metallic and ceramic templates with porous structure and combining with the theoretical and experimental researches on electrocatalytic activity for NG with different nitrogen content and configuration,this project will construct new platforms for the determination of small biomolecules. In addition, the influeneces of NG structure, layers, nitrogen content and configuration doped into graphene structure on its electrocatalytic performance are investigated systematically. As a result, the interaction mechanisms between NG and biomolecules or oxygen molecules can be revealed clearly. On the basis of the above researches, the NG-based biosensors are used to determine small biomolecules such as glucose and lactic acid, which will offer theoretical support for the establishment of bioanalytical methods with high sensitivity and selectivity.So the researches of this project have much higher theoretical value and practical application prospects.

石墨烯经氮掺杂后呈现良好的生物兼容性、更高的反应活性，毫无疑问，设计合成高比表面积的氮掺杂石墨烯可进一步彰显其优异性能，极大地拓展其应用范围。基于以上思考，本项目将在设计合成高比表面积三维立体结构氮掺杂石墨烯的基础上，结合对不同氮掺杂含量及构型石墨烯电催化性能的理论和实验研究，构建氮掺杂石墨烯基生物传感器；通过研究氮掺杂石墨烯结构、层数、氮含量及构型对电催化性能的影响，阐明掺氮石墨烯与生物小分子之间的作用机制，在此基础上探索氮掺杂石墨烯在生物电分析中的应用，为建立高灵敏度、高选择性的生物分析方法提供理论支撑。研究成果具有较高的理论价值和实际应用前景。

石墨烯的物理、化学性质直接决定了其不同的应用领域，对石墨烯进行改性可以有效调变其结构和性能，实现更为丰富的功能与应用。研究表明杂原子掺不仅可以改善石墨烯的分散性能，而且可以调控其电子结构，从而在生物传感、催化、超级电容器等应用方面展示出独特性能。本项目以掺氮石墨烯的制备为基础，以其在生物传感、电催化和燃料电池领域的应用为目标，针对掺氮石墨烯的可控制备、生物传感构建和电催化应用中的基础问题进行探讨，为石墨烯类材料的研究和应用提供理论依据。.1. 提出了一种简便、低成本、无催化剂制备多孔掺氮石墨烯的新方法。该方法以冰为模板，固体含氮化合物为氮源，通过高温退火或者水热反应方法制备多孔掺氮石墨烯。考察了氮源、反应条件对掺氮含量及氮构型的影响，实现了对氮含量和构型的有效调控。在此基础上，构建电化学传感器，实现了葡萄糖、多巴胺、过氧化氢、苯二酚异构体小分子的高灵敏度检测。.2. 建立了一步溶剂热法制备多孔掺氮石墨烯-贵金属纳米颗粒复合材料的可行性方法，实现贵金属（Ag、Au、Pt）纳米粒子等在石墨烯表面的均匀负载，并可以有效控制纳米粒子尺寸。构建基于复合材料的电化学传感器，研究其在无酶葡萄糖检测等电分析领域的应用；或者应用于燃料电池体系，研究其对燃料电池中阳极甲醇氧化的电催化性能，以及对阴极氧气的电催化还原效果。由于掺氮石墨烯载体对金属纳米粒子的分散作用，使得其催化性能和稳定性都有较大提高。