納米TiO2的合成及納米TiO2/Pt修飾電極的電化學催化性能

葛杏莉，沈 萌，鄧幫君，周環波

(湖北工程學院化學與材料科學學院，湖北 孝感 432100)

近年來，由于納米材料比微晶材料具有更好的光學、機械、物理、化學、熱學、電學及磁學等方面的特性，引起了研究者的極大關注[1-13]。無酶葡萄糖傳感器的研究一直是光催化[13-17]、電催化[18-20]及化學與生物傳感器領域的研究熱點[21-22]。Pt和Au是葡萄糖電化學傳感器中最早使用的電極材料[22]。隨著納米技術的進步，大量制備 TiO2修飾電極成為可能，TiO2修飾Pt制成復合電催化劑已引起廣泛重視[11-12]。作者采用溶膠-凝膠法合成納米TiO2粉體，進而用涂膜法制備納米TiO2/Pt修飾電極，并研究了該修飾電極在葡萄糖體系中的電化學催化性能。

1 實驗

1.1 納米TiO2樣品的合成

以鈦酸丁酯為原料，采用溶膠-凝膠法合成納米TiO2。選擇鈦酸丁酯體積、乙醇體積、烘干溫度及焙燒溫度等為考察因素，通過L9(34)正交實驗優化納米TiO2的合成工藝,以獲得電化學催化性能更好的修飾電極。合成的納米TiO2樣品標記為SM-01～SM-09，對比樣品標記為SM-00。

1.2 納米TiO2樣品的XRD分析

用D/max-TTRⅢ型X-射線分析儀(日本理學公司)測定SM-03、SM-05、SM-07及SM-09納米TiO2樣品的晶體結構特征(測試條件：衍射角2θ為10°～90°、Cu靶κα，λ=0.15406 nm)。

1.3 納米TiO2樣品的TEM分析

以乙醇為分散介質、OP-10為分散劑，超聲波分散，將分散好的納米TiO2樣品附著在銅網上，用JEM-100CXⅡ型透射電子顯微鏡(日本JEOL公司)測試納米TiO2樣品的粒徑分布情況。

1.4 納米TiO2/Pt修飾電極的制備

將Pt電極(Φ=2 mm)用蒸餾水清洗，在加有拋光粉[300目(Φ=0.054 mm)、400目(Φ=0.0385 mm)的Al2O3粉末]的拋光絨布上順次拋光，再將其依次在無水乙醇、H2SO4(1∶1，體積比)、蒸餾水中超聲清洗，自然晾干。取適量納米TiO2固體粉末超聲分散于蒸餾水中配制成分散液，用微量進樣器移取適量納米TiO2水相分散液滴加在Pt圓盤電極表面，自然晾干，即制得納米TiO2/Pt修飾電極。

1.5 循環伏安測試

循環伏安測試在三電極體系玻璃電解池中進行，以納米TiO2/Pt修飾電極(電極面積為0.04 cm2)為工作電極、Pt 片電極(電極面積為0.25 cm2)為輔助電極、飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，在CHI660A電化學工作站上于0.5 mol·L-1的葡萄糖溶液中對納米TiO2/Pt修飾電極的循環伏安特性進行測試。掃描速率為12.5～100 mV·s-1，掃描電位為-1.0～1.4 V。

2 結果與討論

2.1 納米TiO2的合成工藝優化

以鈦酸丁酯體積(A)、乙醇體積(B)、烘干溫度(C)、焙燒溫度(D)為考察因素，以不同掃描速率下同一樣品制得Pt修飾電極的CV曲線中還原峰6的峰電流(ip)平均值作為考核指標進行L9(34)正交實驗，結果與分析見表1。

表1正交實驗結果與分析

Tab.1Results and analysis of the orthogonal experiment

注：1～9號實驗對應的樣品編號為SM-01～SM-09。

由表1可以看出，各因素對溶膠-凝膠法合成納米

TiO2的電化學催化性能的影響大小順序為：鈦酸丁酯體積>乙醇體積>焙燒溫度>烘干溫度。最佳合成條件為A3B3C1D2，即鈦酸丁酯8 mL、乙醇12 mL、烘干溫度80 ℃、焙燒溫度500 ℃。

2.2 納米TiO2樣品的XRD分析(圖1)

從圖1可以看出，4個納米TiO2樣品的XRD圖譜在衍射角約為25°、37°、38°、48°、54°、55°、63°、69°、70°、75°及83°等處均有近10～12個特征衍射峰，各個峰相對較強且較尖銳，且半峰寬(FWHM)較小，說明納米TiO2的結晶都比較完美。比較各樣品的(101)衍射峰可見，SM-03的衍射強度最強、半峰寬最小，表明其結晶程度最完美，SM-05的結晶相對最差。將樣品的XRD衍射數據分別與XRD標準卡JCPDS(卡號21-1272)的數據進行對比，各衍射峰對應的晶面(hkl)分別為：(101)、(004)、(200)、(105)、(211)、(204)、(116)、(220)、(215)和(312)等，表明合成納米TiO2樣品的結構與銳鈦礦型納米TiO2的晶型一致，即合成的系列樣品均為銳鈦礦型納米TiO2晶體。

2.3 納米TiO2樣品的TEM分析(圖2)

從圖2可以看出：SM-09為較規則的球形顆粒，且分散情況良好，存在一定的團聚現象，粒徑分布范圍為5～50 nm，其中50 nm左右的大顆粒可能是由小顆粒團聚而成；SM-05同樣為較規則的球形顆粒，但分散情況比SM-09稍差，存在明顯的團聚現象， 粒徑分布范圍為20～80 nm，其中的大顆粒可能也是由小顆粒團聚而成。

圖2 納米TiO2樣品的TEM相片

TEM分析結果與激光粒度分析結果的最小值基本吻合。可見，納米TiO2樣品的粒徑分布范圍為5～20 nm。

2.4 納米TiO2/Pt修飾電極的循環伏安特性(圖3)

從圖3可以看出，CV曲線上都出現了3個氧化峰(峰1、峰2、峰3)和3個還原峰(峰4、峰5、峰6)，在掃描電位為-1.0 V、1.4 V處分別出現析氫峰、析氧峰。其中峰1為活性物質吸附過程，峰4為活性物質脫附過程，其它各峰對應的電化學反應分別為：

圖3裸Pt電極及納米TiO2(SM-01～SM-09)/Pt修飾電極的循環伏安曲線

Fig.3CVCurvesofbarePtandnano-TiO2-modifiedPtelectrodes

峰2：RCHO→RCOOH/R′C=O+e-

峰3：Ti2O3→TiO2+e-

峰5：TiO2+e-→Ti2O3

峰6：RCOOH/R′C=O+e-→RCHO

RCHO+e-→RCH2OH

從圖3還可以看出，同一掃描速率下的循環伏安曲線中，SM-01～SM-09的各氧化還原峰電流均大于裸電極SM-00的氧化還原峰電流，表明納米TiO2/Pt修飾電極比裸Pt電極具有更好的電化學催化活性，對葡萄糖電化學氧化還原響應更靈敏，這是納米TiO2和Pt電極共同作用的結果。

將掃描速率為25 mV·s-1時的還原峰6放大，見圖4。

從圖4可以看出：納米TiO2/Pt修飾電極的ip(35.6～57.8 μA)遠大于裸Pt電極的ip(僅為21.7μA)；其中SM-09的ip最大，為57.8 μA，是裸Pt電極ip的2.67倍。

圖4 掃描速率為25 mV·s-1時的還原峰6局部放大圖

納米TiO2(SM-09)/Pt修飾電極在不同濃度葡萄糖溶液中的循環伏安曲線如圖5所示。

圖5 納米TiO2(SM-09)/Pt修飾電極的循環伏安曲線

從圖5可以看出，在葡萄糖溶液中，納米TiO2(SM-09)/Pt修飾電極的CV曲線有明顯的氧化還原反應峰，具有較靈敏的氧化還原電流響應，且納米TiO2(SM-09)的催化活性與葡萄糖溶液的濃度正相關。

2.5 納米TiO2/Pt修飾電極的電化學動力學特征

研究表明，納米TiO2/Pt修飾電極的ip～v曲線呈非線性關系，而ip～v1/2曲線呈較好的線性關系，且線性擬合相關系數R值在0.9864～1.000之間。推測制得的納米TiO2/Pt修飾電極對葡萄糖的氧化還原電化學反應主要受擴散控制。

3 結論

(1)正交實驗確定各因素對溶膠-凝膠法合成納米TiO2的電化學催化性能的影響大小順序為：鈦酸丁酯體積>乙醇體積>焙燒溫度>烘干溫度；在鈦酸丁酯體積為8 mL、乙醇體積為12 mL、烘干溫度為80 ℃、焙燒溫度為500 ℃時，合成的納米TiO2具有最佳電化學催化性能。

(2)采用溶膠-凝膠法制備的系列納米TiO2樣品均為銳鈦礦型納米TiO2晶體，呈較規則的球形顆粒，粒徑分布在5～20 nm之間；納米TiO2/Pt修飾電極對葡萄糖溶液具有顯著的電化學催化性能，其電化學響應峰電流遠大于裸Pt電極的峰電流；且修飾電極電化學反應主要受擴散控制。

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