化学修饰电极制备及在环境监测中的应用20955.docx
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1、*学院毕业设计(论文)化学修饰电极的制备及其在环境监测中的应用摘 要化学修饰电电极(CCME)是是当前电电化学、电电分析化化学中十十分活跃跃的研究究领域,其其应用研研究范围围非常的的广泛。本本文综述述了化学学修饰电电极的定定义、种种类、如如何制备备,应具具有的表表征及其其实际的的意义,即即在环境境监测中中的应用用。让我我们从中中认识了了什么是是化学修修饰电极极,应该该如何制制备电极极使具有有针对性性和特效效性,尤尤其是在在环境监监测中的的应用包包括:重重金属离离子、非非金属和和胺类、酚酚类等有有机化合合物的监监测与治治理。主主要利用用的是化化学修饰饰电极的的高灵敏敏、高效效性的特特性,对对环境
2、中中的污染染物进行行监测与与治理,从从而尽可可能的减减少环境境污染对对人体的的危害及及各种动动植物的的危害和和全球环环境的影影响。在在环境监监测的实实例中,将将体现出出化学修修饰电极极在实际际中的运运用和给给人类社社会带来来的巨大大利益,并并展望了了化学修修饰电极极在实际际中的应应用前景景。关键词:修修饰电极极,制备备,环境境监测,应应用Prepaarattionn off chhemiicallly moddifiied eleectrrodee annd iits apppliccatiion in envviroonmeentaal mmoniitorringgABSTRRACTTChe
3、miicallly moddifiied eleectrrodee (CCME) arre tthe currrennt EElecctroocheemisstryy, AAnallytiicall Chhemiistrry eelecctriicitty vveryy acctivve aareaa off reeseaarchh, iits apppliccatiionss arre vveryy brroadd sccopee off thhe sstuddy. In thiis ppapeer, thee deefinnitiion of cheemiccallly mmodiifie
4、ed eelecctroodess, ttypees, howw thhe pprepparaatioon, chaaraccterrizaatioon aand shoouldd haave praactiicall siigniificcancce, nammelyy, iin eenviironnmenntall moonittoriing apppliccatiionss. LLet us gett too knnow whaat aare cheemiccallly mmodiifieed eelecctroode, thhe eelecctroode shoouldd bee pr
5、repaaredd too maake tarrgetted andd efffecctivve, esppeciiallly iin eenviironnmenntall moonittoriing apppliccatiionss inncluude: heeavyy meetall ioons, noon-mmetaalliic aand amiiness, pphennolss annd ootheer oorgaanicc coompooundds mmoniitorringg annd ggoveernaancee. TThe maiin uuse of cheemiccallly
6、 mmodiifieed eelecctroodess arre tthe chaaraccterrizaatioon oof tthe chaaraccterristticss off thhe ppolllutaantss onn thhe eenviironnmennt mmoniitorringg annd mmanaagemmentt, ttherrebyy reeduccingg poossiiblee heealtth hhazaardss off ennvirronmmenttal pollluttionn onn pllantts aand aniimalls aand al
7、ll kiindss off haazarrds andd thhe gglobbal envviroonmeent . EExammplees oof eenviironnmenntall moonittoriing willl rrefllectt thhe cchemmicaallyy moodiffiedd ellecttrodde uuse in praactiice andd too huumann soocieety brooughht aabouut eenorrmouus bbeneefitts aand thee prrosppectt off a cheemiccalll
8、y mmodiifieed eelecctroode at thee prrosppectt off prractticaal aappllicaatioon.KEY WWORDDS: Modiifieed eelecctroode, Prepparaatioon, Enviironnmenntall moonittoriing, Appllicaatioon8目录前言1第1章化学学修饰电电极的制制备与方方法分类类21.1共价价键结合合法21.2吸附附法31.3高聚聚物涂层层法4第2章化学学修饰电电极在环环境监测测中的应应用(一一)62.1大气气监测662.2水污污染监测测62.3土壤壤监测7
9、7第3章化学学修饰电电极在环环境监测测中的应应用(二二)93.1 阴阴离子的的监测993.2 有有机物的的监测110第4章化学学修饰电电极的应应用展望望12结论133谢辞14参考文献115外文资料翻翻译177前言目前,化学学修饰电电极(CCME)在环境境监测中中的应用用,已成成为CMME研究究的重要要方向。本本文综述述了化学学修饰电电极的定定义、种种类及如如何制备备,应具具有的表表征及其其实际的的意义,即即在环境境监测中中的应用用。让我我们从中中认识了了化学修饰饰电极并并且应该该如何制制备电极极使具有有针对性性和特效效性,尤尤其是在在环境监监测中的的应用包包括:重重金属离离子、胺胺类、酚酚类等
10、有有机化合合物的监监测及生生物监测测。主要要利用的的是化学学修饰电电极的高高灵敏、高高效性的的特性,对对环境中中的污染染物进行行适时高高效监测测。有关CCME在在微量及及痕量分分析方面面应用的的报道,日日益增多多。近几几年,有有关报道道增加的的趋势尤尤为明显显。在环环境监测测的实例例中,将将体现出出化学修修饰电极极在实际际中的运运用和给给人类社社会带来来的巨大大利益,并并展望了了化学修修饰电极极在实际际中的应应用前景景。化学修饰电电极(CCME)是在电电极表面面接上所所需要的的化学基基团,以以使其高高选择性性地进行行所期待待的反应应或使其其拥有某某种特定定的电化化学性质质。因此,CMME用于于
11、环境监监测在提提高选择择性和灵灵敏度以以及实现现遥测等等方面具具有独到到的优越越性。事事实上,CMEE在环境境监测的的应用是是随着它它在分析析化学中中的广泛泛应用而而逐渐渗渗入的,而这一一成果则则归功于于八十年年代聚合合物薄膜膜CMEE的出现现。与早早期采用用共价键键合法和和吸附法法制备的的单分子子层CMME相比比,聚合合物薄膜膜CMEE不仅电电化学响响应灵敏敏,制备备简单,而且由由于聚合合物薄膜膜本身提提供了固固有的化化学物理理稳定性性,故电电极的重重现性好好且使用用寿命长长。特别别是聚合合物薄膜膜表面结结构造成成空间的的、静电电的、化化学的等等特殊微微环境,可广为为环境监监测所用用1。第1
12、章化学学修饰电电极的制制备与方方法分类类化学修饰电电极的分分类方法法很多,在在这里主主要是按按其性质质进行分分类,包包括以下下三种:1.1共价价键结合合法这是最早采采用的化化学修饰饰法。在在电极表表面上欲欲得到高高浓度的的功能团团,首要要的是向向电极表表面引入入可供键键合的基基团。修饰饰方法一一般分为为二步进进行:第第一步是是电极表表面的预预处理,第第二步是是做表面面有机合合成,最最后把目目的功能能团键合合于电极极上。对对石墨体体系电极极的化学学修饰方方法如图图l-11。已知知处于含含氧气氛氛中的石石墨,其其表面上上常有一一COOOH、一一CO、一一OH、一一内酯等等基团存存在。的的电极预预处
13、理多多用空气气氧化法法来导人人含氧基基,但其其浓度不不高,而而且只在在与碳层层垂直的的棱面上上产生,在在与碳层层平行的的基面无无反应。若若用高锰锰酸钾、重重铬酸钾钾、浓硝硝酸及过过氯酸钠钠等做湿湿法氧化化处理,就就能导人人相当量量的含氧氧基(00100一克分子/厘米22)。此此法手续续简便,但但存在试试剂沾污污不易清清除的缺缺点。最最好采用用氧等离离子体处处理(或或先用氢氢等离子子体刻蚀蚀后再与与氧接触触,或与与微波产产生的原原子态的的氧反应应),导导入的含含氧基浓浓度较高高,速度度快,也也无沾污污而且重重现性也也好。为为进一步步提高相相同的含含氧基的的浓度,还还可在氧氧化后再再用还原原剂,如
14、如氯化锂锂铝、硼硼化氢、硼硼氢化钠钠、硫代代硫酸钠钠等进行行还原处处理,使使石墨表表面的含含氧基均均变为一一OH基基,提供供了高浓浓度的为为键合反反应的基基。常用用硝化剂剂如混合合酸处理理,也可可在电极极表面上上直接导导人胺基基,或先先用氢等等离子体体清洁石石墨表面面,再与与含一NNH2的的试剂反反应;甚甚至还可可用氨等等离子体体直接向向电极表表面导入入胺基。此此外,将将碳纤维维在真空空中加热热到10000以上,清清除氧化化物就会会使电极极表面活活化,冷冷却到室室温后,与与溴化乙乙烯或卤卤化丙烯烯相接触触而导入入卤基。 图1-1石墨墨体系电电极的化化学修饰饰过程 用共价键合合法制备备化学修修饰
15、电极极的性能能稳定。最最近已研研制出具具有导电电功能团团的化学学修饰电电极,如如四硫富富瓦烯电电极及四四硫富瓦瓦烯四氢氢喹喏二二甲烷电电极等。1.2吸附附法电极表面被被溶液中中物质强强吸附而而无意识识地被修修饰已多多年,过过去总认认为“吸附”是一种种干扰,而而化学修修饰电极极的出现现却把“吸附”变为有有利的方方法。在在有机物物、生物物体的吸吸附方面面,一般般地说,分分子量较较大,熔熔点较高高的有机机物很容容易吸附附在电极极表面,吸吸附的动动力可能能来自有有机物与与电极表表面的疏疏水结合合,及电子相相互作用用的共同同效果。含含有悬垂垂功能团团的芳香香烃不可可逆地强强吸附于于电极表表面,如如将热解
16、解石墨电电极浸人人含有00.3毫毫摩尔RRu(NNH3)3+6和1微微摩尔99,100一菲醌醌(PQQ)的11摩尔CCF3COOOH水溶溶液中,进进行循环环伏安法法研究,见见图1-2。图图1-2(I)中中第一个个峰相当当于PQQ,它随随电极浸浸人的时时间而增增高,直直到稳定定为止;第二个个相当于于Ru(NH33)3+6,没有有变化。由由于PQQ浓度比比Ru(NH33)3+6高3000倍左左右,故故在同一一电位扫扫描中不不会观察察到PQQ的扩散散波,因因此,第第一波是是由吸附附在电极极表而上上的PQQ而引起起的,电电流增高高表示吸吸附员的的增加。此此时若将将电极移移出洗净净,再浸浸人到只只含有支
17、支持电解解质的空空白溶液液中,则则得到的的循环伏伏安曲线线仅有波,而而Ru(NH33)3+6波消失失,如图图1-2(11)所示。吸吸附于电电极表面面的PQQ的浓度度为2.510-110克分子/厘米22,相当当于PQQ的单分分子层。系系统研究究自然吸吸附的结结果表明明2只要电电极表面面用氧等等离子体体处理过过,就可可把它直直接浸人人含有第第一胺或或第二胺胺的衍生生物溶液液中,而而不必进进行表而而有机合合成就能能获得强强吸附型型化学修修饰电极极,例如如许多二茂铁铁乙二胺胺及其衍衍生物均均能牢固固地附着着在石墨墨表面上上,这种种修饰电电极的寿寿命较长长,制备备方法简简单。还还报道了了乙烯在在铂电极极
18、,烯类类在除氧氧的碳电电极、铁铁卟啉在在氧化锡锡电极、甲甲基联吡吡啶在银银电极上上的强吸吸附,以以及稠环环儿茶酚酚胺阿朴朴吗啡的的阳极产产物在炭炭糊电极极上的不不同可逆逆吸附等等。图1-2() 00.3毫毫摩尔RRu(NNH3)3+6和1微微摩尔99,100一菲醌醌(PQQ)的11摩尔CCF5COOOH水溶溶液中电电极接触触时间:(a)为为0(bb)为88(c)为为20(dd)为447(ee)为884,扫扫描速率率为200毫伏秒。()为从从()把电电极拿出出,洗净净,再插插入CFF5COOOH水溶溶液这类电极的的修饰方方法多用用于生物物高分子子修饰的的制备。1.3高聚聚物涂层层法优点是操作作许
19、多高高聚物能能强吸附附于固体体表面上上,产生生1几几个分子子层的膜膜。方法法的简单单、涂层层稳定、表表面均匀匀、覆盖盖完全、电电极的重重现性好好、例如如最简单单的涂层层方法是是,把电电极浸人人含高聚聚物的稀稀薄溶液液中,在在短时间间内就形形成了一一层高聚聚物膜,经经干燥后后即可使使用。另另一方面面,此法法对电极极材料本本身并无无苛求,实实际上对对任何电电极表面面都能进进行涂层层,而且且在电极极的性能能上可与与共价键键合者相相比。一一般涂层层的高聚聚物膜很很薄,保保证了电电子以及及为补偿偿电荷的的离子通通过膜的的转移。最最初涂层层用的高高聚物多多为电非非活性的的,近来来趋向于于电活性性物。涂涂层
20、技术术有各种种各样,其其中如蘸蘸涂法,粘粘合剂涂涂敷法等等,直接接用高聚聚物涂层层;其它它方法多多采用单单体,在在电极表表面上发发生聚合合。例如如,电化化学聚合合法33是把把电极置置于含某某种单体体的溶液液中,在在一定电电位下阳阳极极化化而聚合合成膜;辉光放放电聚合合法44制膜膜牢固,如如将丙烯烯腈单体体通入等等离子体聚聚合室中中,发生生辉光放放电聚合合,膜薄薄导电性性好,电电极性能能稳定;其它还还有齐聚聚反应、共共价键合合与高聚聚物涂层层联用法法等等。总总的看来来,电极极修饰的的三类方方法中,高高聚物涂涂层法比比共价键键合法和和吸附法法更为实实用55。当然,化学学修饰电电极的制制备方法法还有
21、很很多种,如如研磨法法、浸涂涂法和溶溶剂蒸发发法、升升华法、掺掺入法、自自发化学学沉积法法、催化化诱导沉沉积法、均均相电化化学沉积积法、分分别溶液液沉积溶出法法等在这这里就不不一一叙叙述了6。第2章化学学修饰电电极在环环境监测测中的应应用(一一)我们的现实实生活中中,越来来越多的的化学修修饰电极极进行应应用,并并给社会会的环境境治理带带来很高高的效益益,随着着环境污污染物种种类的增增加,那那么就要要更多更更好更为为高效的的化学修修饰电极极进行研研制并运运用到现现实中,在环境中的应用种类很多,现就以下几类作为代表进行阐述:2.1大气气监测现代工业的的发展和和人们对对环境污污染意识识的提高高,迫切
22、切要求建建立简捷捷的大气气污染检检测方法法。而人人气中的的硫酸按按可影响响大气能能见度和和危及人人类的健健康,造造成腐蚀蚀,因此此检测降降尘中的的NH44+十是是很有意意义的。WW.H.kinng和GG.GGGuiNNtfllt先后后将索氏氏工作推推广到这这一领域域,他们们把电压压振荡传传感技术术、表面面化学修修饰技术术成功地地结合起起来,有有效地应应用于包包括二氧氧化硫、氮氮氧化合合物、一一氧化碳碳、硫化化氢、氨氨、氰化化物等在在内的大大气与环环境无机机污染物物的监测测,测定定下限可可达1.010-77,对氨氨的最低低检出浓浓度为33.010-110mool/ll,这比比分光光光度法等等灵敏
23、、简简便。2.2水污污染监测测在现代的社社会中,水水资源已已经成为为当今不不可或缺缺的能源源,而由由于种种种原因,工工业的发发展给水水资源带带来了不不可估量量的污染染,也给给人类带带来了很很大的危危害,因因此,水水污染的的治理已已经成为为人类的的重大责责任。而在水污染染中,以以重金属属离子、各各类有机机物带给给人类的的危害最最大,为为了避免免重金属属离子对对人类的的危害,那那么我们们就需要要有高灵灵敏度的的物质去去检测,化化学修饰饰电极不不矢为一一个很好好的选择择。化学修饰电电极对金金属离子子的测定定有着特特殊的功功能, 并且这这种功能能在实际际应用中中愈来愈愈广泛. 张海海丽等 7研制的的2
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