CN100386621C - 半径小于500nm的纳米碳圆盘电极的制造方法 - Google Patents

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Abstract

半径小于500nm的纳米碳圆盘电极的制造方法，本发明涉及一种纳米电极的制造技术，将直径为微米级的碳纤维或碳管或碳棒通过银导电胶与铜丝相连，在碱性溶液中用电化学方法进行刻蚀，待碳材料在溶液与空气界面发生断裂产生纳米级的尖端后，用直流稳压电源在碳材料表面电泳沉积绝缘层，经加热绝缘层固化至电极完全绝缘，然后将绝缘后电极用胶密封在塑料管中，胶干后，打磨抛光或激光刻蚀，直至暴露出碳材料的尖端，即得在铁氰化钾的氯化钾溶液中出现良好的“S”形极限稳态伏安曲线的碳纳米圆盘电极。

Description

半径小于500nm的纳米碳圆盘电极的制造方法
技术领域
本发明涉及一种纳米电极的制造，用碳纤维、碳毡、热解石墨、碳管等材料制造纳米碳圆盘电极。该制造技术涉及纳米材料及器件制备、化学传感器、生物传感器。用于分析检测，涉及的领域包括环境、生物、食品、医学、材料、考古等技术领域。
背景技术
纳米电极与微电极相比较，其尺寸更小，更适合于纳米尺寸电化学和生物科学领域的研究，可获得较高的信噪比和灵敏度。特别是在单分子检测、微区分析、活体的在体检测、超痕量分析等方面具有的潜力，此方面的研究已引起国际上众多科学家的兴趣和关注。
十几年来，许多研究工作者都在寻找一种有效、简单的方法来制备纳米碳电极。Ewing和Malinski采用火焰刻蚀法制备了纳米碳纤维圆锥电极，最小直径为400nm。程介克等[3]采用火焰直接刻蚀的方法制备的纳米碳纤维圆锥电极可以小至100nm。Wightman和Schulte等采用电化学刻蚀的方法，制得的碳纤维圆锥电极尖端能达到500nm。张学记采用离子刻蚀法制备纳米碳纤维柱电极。在高真空下，利用高能离子束流将碳纤维上的原子一个个地“打掉”，电极尖端最小可达50nm左右。但该方法实验仪器设备要求高，耗时长(刻蚀一根电极约需20小时)，操作不便。Kucemak用微操纵装置采用倒置沉积电泳漆的方法制备得到最小至1nm的碳纤维圆锥电极，是目前所报道的最小面积的碳电极。该方法对于传统电泳漆固化易留下小针孔的缺陷有一定改进，但对电泳漆绝缘膜在电极上的沉积速度和膜厚度的控制要求很高，所以制得的电极直径难以控制，具有一定操作难度。以上制备的纳米碳纤维电极均为圆锥状或半球型或是较大面积的电极。
纳米碳圆盘电极具有表面易更新和再现、表面和表面吸附量积易控制、测定方位独特、电容电流小等优点，有很好的生产价值和实用前景。由于制备半径小于500nm的纳米碳圆盘电极，在制备过程中不易观察，不易操作，电极极易被损坏或被它物吸附钝化。故，至今未见半径小于500nm的纳米碳圆盘电极的制备报道。
发明内容
本发明目的在于发明一种制备半径小于500nm的纳米碳圆盘电极的方法。
本发明将直径为微米级的碳纤维或碳管或碳棒通过银导电胶与铜丝相连，在碱性溶液中用电化学方法进行刻蚀，待碳材料在溶液与空气界面发生断裂产生纳米级的尖端后，用直流稳压电源在碳材料表面电泳沉积绝缘层，经加热绝缘层固化至电极完全绝缘，然后将绝缘后电极用环氧树脂胶密封在塑料管中，胶干后，打磨抛光或激光刻蚀，直至暴露出碳材料的尖端，即得碳纳米圆盘电极；所述碱性溶液为氢氧化钠或氢氧化钾或碳酸钠溶液。
本发明无需使碳材料在烘烤过程中收缩露出尖端，所以无需精确控制电泳漆绝缘膜在电极上的沉积速度和膜厚度，同时也克服了传统电泳漆固化易留下小针孔的缺陷。而且绝缘的材料与胶有较好的亲和力，从而大大提高了碳材料与胶基体之间的粘接力和复合材料的层剪强度，更好的起到固定和绝缘作用。
与其它方法制备的纳米碳电极相比，本方法获得的纳米碳圆盘电极的电化学性质更稳定、重现性好、电极边缘的绝缘性更佳、杂散和残余电流较小。纳米碳圆盘电极具有表面易更新和再现、表面和表面吸附量积易控制、测定方位独特、电容电流小等优点。产品在铁氰化钾的氯化钾溶液中出现良好的“S”形极限稳态伏安曲线。
本发明中为了将微米级的碳材料制造成纳米级的碳材料，需对碳材料进行电化学刻蚀，将碳材料的一端垂直插入0.01～1mol/L的碱性溶液中，以玻碳电极为辅助电极，施加0.1～10V的交流电压，直至观察到碳纤维在液面处刻蚀折断，刻蚀结束。
本发明中为了将刻蚀好的尖端为纳米级的碳材料绝缘，采用电泳漆或聚电解质或高聚物作绝缘材料层。
在碳材料表面电泳沉积绝缘层时，电泳液中水与绝缘物的重量比为4∶3～4∶0.5。
另，碳材料表面电泳沉积绝缘层时的沉积电位为0.5～10V，沉积时间为2～40min。
为了除去绝缘层中的水份使绝缘层更加致密和牢固，烘烤漆层固化是在红外灯下或烘箱中60℃～90℃下烘烤15min～40min。
上述塑料管的内径为1mm～20mm。目的是将刻蚀好的碳材料封入管内便于抛光。
另，在封装时，先将绝缘后电极拉入塑料管中，标记尖端所处的精确位置，然后取出绝缘后电极，在塑料管中灌满环氧树脂胶，在环氧树脂胶未凝固之前，将绝缘后电极竖直拉入塑料管内至刻度处，垂直放置，12～48小时胶干后，进行打磨抛光或激光刻蚀。
本发明在打磨抛光过程中，先用粗砂纸打磨，待接近塑料管上的刻度时，砂纸由粗换到细，并在真丝上进行抛光。其目的是让被封闭的纳米碳材料的尖端暴露出来，并使抛光的表面平滑。
附图说明
图1为制备的半径小于500nm的纳米碳圆盘电极在铁氰化钾的氯化钾溶液的循环伏安图。
具体实施方法
一、碳材料的刻蚀
直径为微米级的碳材料依次用丙酮，乙醇和二次蒸馏水洗涤，空气中晾干后将电极与引线铜丝用银导电胶粘连，待胶干后将碳材料用乙醇洗后晾干，然后将碳材料的一端垂直插入0.01～1mol/L的碱性溶液(如：浓度为0.1mol/L氢氧化钠，或0.1mol/L氢氧化钾，或0.1mol/L碳酸钠)中。以玻碳电极为辅助电极，施加0.1～10V的交流电压，直至观察到碳纤维在液面处刻蚀折断，刻蚀结束。取下碳纤维，用蒸馏水洗去残留的碱溶液，空气中晾干。
二、碳材料表面的绝缘
将刻蚀好的碳电极和铂片电极组成的二极系统插入20mL电泳漆或聚电解质或高聚物的水溶液中，电泳液中水与绝缘物的重量比为4∶3～4∶0.5，在直流稳压电源上进行电化学沉积，沉积电位为0.5～10V，沉积时间为2～40min。将碳纤维在红外灯下或烘箱中60℃～90℃下烘烤15min～40min，使绝缘材料膜固化。用循环伏安法验证绝缘效果，溶液为铁氰化钾(氯化钾作为支持电解质)。可根据需要重复以上操作直至碳材料表面绝缘。
三、纳米碳圆盘电极的制备
取一内径1～20mm的塑料管，将绝缘好的碳材料用胶(如环氧树脂胶)封在管中。首先，将碳材料拉入管中，标记尖端所处的精确位置。然后取出碳材料，将管中灌满胶。在胶未凝固之前，将碳材料竖直拉入管内至刻度处。垂直放置，约24小时胶干后，进行打磨抛光或激光刻蚀，使碳材料尖端正好暴露出，即可制得碳纳米圆盘电极。打磨抛光过程中，先用粗砂纸打磨，待接近塑料管上的刻度时，砂纸由粗换到细，然后在真丝上进行抛光，使碳材料尖端暴露出来，可在电化学工作站上检测。最后在二次蒸馏水中超声清洗数秒，即制得半径小于500nm碳纳米圆盘电极。
如图1中，分别得到半径分别为11nm、67nm、299nm的碳纳米圆盘电极。以甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极。溶液为0.01mol/L的铁氰化钾和0.5mol/L的氯化钾。(循环伏安扫描速度：5mV/s)

Claims (9)

1.半径小于500nm的纳米碳圆盘电极的制造方法，其特征在于将直径为微米级的碳纤维或碳管或碳棒通过银导电胶与铜丝相连，在碱性溶液中用电化学方法进行刻蚀，待碳材料在溶液与空气界面发生断裂产生纳米级的尖端后，用直流稳压电源在碳材料表面电泳沉积绝缘层，经加热绝缘层固化至电极完全绝缘，然后将绝缘后电极用环氧树脂胶密封在塑料管中，胶干后，打磨抛光或激光刻蚀，直至暴露出碳材料的尖端，即得碳纳米圆盘电极；所述碱性溶液为氢氧化钠或氢氧化钾或碳酸钠溶液。
2.根据权利要求1所述半径小于500nm的纳米碳圆盘电极的制造方法，其特征在于碳材料的刻蚀方法是：将碳材料的一端垂直插入0.01～1mol/L的碱性溶液中，以玻碳电极为辅助电极，施加0.1～10V的交流电压，直至观察到碳纤维在液面处刻蚀折断，刻蚀结束。
3.根据权利要求1所述半径小于500nm的纳米碳圆盘电极的制造方法，其特征在于所述绝缘层为电泳漆或聚电解质或高聚物。
4.根据权利要求1所述半径小于500nm的纳米碳圆盘电极的制造方法，其特征在于在碳材料表面电泳沉积绝缘层时，电泳液中水与绝缘物的重量比为4∶3～4∶0.5。
5.根据权利要求1所述半径小于500nm的纳米碳圆盘电极的制造方法，其特征在于碳材料表面电泳沉积绝缘层时的沉积电位为0.5～10V，沉积时间为2～40min。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述半径小于500nm的纳米碳圆盘电极的制造方法，其特征在于绝缘层固化是在红外灯下或烘箱中60℃～90℃下烘烤15min～40min。
7.根据权利要求1所述半径小于500nm的纳米碳圆盘电极的制造方法，其特征在于所述塑料管的内径为1mm～20mm。
8.根据权利要求1所述半径小于500nm的纳米碳圆盘电极的制造方法，其特征在于将绝缘后电极拉入塑料管中，标记尖端所处的精确位置，然后取出绝缘后电极，在塑料管中灌满环氧树脂胶，在环氧树脂胶未凝固之前，将绝缘后电极竖直拉入塑料管内至刻度处，垂直放置，12～48小时胶干后，进行打磨抛光或激光刻蚀。
9.根据权利要求8所述半径小于500nm的纳米碳圆盘电极的制造方法，其特征在于打磨抛光过程中，先用粗砂纸打磨，待接近塑料管上的刻度时，砂纸由粗换到细，并在真丝上进行抛光。
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