CN103207222A - 原子层沉积法制备石墨烯纳米材料电化学传感器的方法 - Google Patents

Abstract

一种原子层沉积法制备石墨烯纳米材料电化学传感器的方法是将亲水石墨烯氧化物放入原子层沉积设备的反应腔进行TiO₂保护膜的沉积，将TiO₂纳米包覆的石墨烯氧化物产物还原得到TiO₂/石墨烯复合材料，将TiO₂/Nafion配制成混合液，将混合溶液滴涂在玻碳电极表面，在红外灯下烘干，得到玻碳电极电化学传感器。本发明制备的电化学传感器具有成本低廉、操作简便、灵敏度高的优点。

Description

原子层沉积法制备石墨烯纳米材料电化学传感器的方法

技术领域

本发明属于一种电化学传感器，具体涉及一种利用原子层沉积技术制备TiO₂纳米包覆石墨烯材料电化学传感器的方法。

背景技术

石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料, 它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质. 有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一。石墨烯是由碳原子以sp²杂化连接的单原子层构成，容易产生聚集, 为了改善其成型加工性，充分发挥其优良性质，必须对石墨烯进行有效的功能化。另外，通过引入特定的官能团，还可以赋予石墨烯新的功能。纳米TiO₂由于具有明显的表面效应、尺寸效应、量子效应以及表面结构在纳米尺度上的可调性，使其呈现区别于传统材料的许多独特优异性能，从而有着广阔的应用前景，使其成为表面纳米工程及功能化纳米结构制备的一种理想研究对象。为了充分发挥石墨烯的优异性能, 进一步拓展其应用领域, 还需要开发并完善新的功能化方法。传统的石墨烯，碳纳米管等负载TiO₂多采用电镀，化学镀和溶胶凝胶方法对包覆负载质量和厚度很难进行有效控制，而且具有工艺复杂，步骤繁琐等缺陷与不足。

在人们的日常生活pb²⁺不仅是环境中的主要的重金属污染物，并且环境中的微量的Pb²⁺不仅造成环境污染而且还进入生物链后，危害人体的正常生长发育。因此，重金属离子pb²⁺的测量具有十分重要的意义。目前报道中pb²⁺离子测定有电感耦合等离子原子发射法、流动注射火焰原子吸收法、石墨炉原子吸收光谱法、质谱法等等，但是这些方法大多涉及贵重的仪器和复杂的操作。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种成本低廉、操作简便、灵敏度高的电化学传感器的方法。

本发明是利用原子层沉积（ALD）方法制备尺寸、分布、负载量、组成等参数高度可控的TiO₂纳米粒子包覆的石墨烯复合材料（TiO₂/石墨烯），将所制备的TiO₂/石墨烯复合材料修饰到玻碳电极表面制备电化学传感器，最终实现对重金属污染物pb²⁺的灵敏检测。

本发明所采用的技术方案如下：

（1）先用强质子酸处理石墨，形成石墨层间化合物，然后加入强氧化剂对其进行氧化，形成亲水石墨烯氧化物，具体的制备方法见专利200910050334.9； 

（2）将步骤（1）得到的石墨烯氧化物分散于石英片上，放入原子层沉积设备的反应腔，进行TiO₂保护膜的沉积，

设定的沉积参数为：

沉积温度150～300 oC；

反应源：采用TiCl₄和H₂O为前体，前体温度均为室温；

载气：10～50 sccm的高纯氮气；

单循环脉冲、憋气和吹扫时间：首先H₂O脉冲时间为0.1～0.5 s，憋气时间为5～7 s，吹扫时间为10～15 s；然后TiCl₄ 脉冲时间为0.01～0.5 s，憋气时间为5～7 s，吹扫时间为10～15 s，此即完成一次沉积循环，重复此沉积循环即得到不同厚度的TiO₂纳米包覆的石墨烯氧化物产物； 

（3）将TiO₂纳米包覆的石墨烯氧化物产物在H₂含量体积百分比为5-10%的H₂与N₂混合气氛中，于450-600℃还原1.5－2.5小时，即得到TiO₂/石墨烯复合材料；

（4）对玻碳电极分别用1.0、0.3 和 0.05 μm 的 α-Al2O3 粉连续抛光，每次抛光后都分别在乙醇和去离子水中超声8-15min，最后玻碳电极用离子水进行冲洗干净备用；　　　　　

（5）将TiO₂/石墨烯复合材料与全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物（Nafion）配制成浓度为0.8-2.0 mg/mL混合液，按混合溶液：玻碳电极表面积=3-10μL：12mm²，将混合溶液滴涂在玻碳电极表面，在红外灯下烘干，得到玻碳电极电化学传感器。

本发明制备玻碳电极电化学传感器用于测定Pb²⁺

（1）将组装了TiO₂/石墨烯-Nafion的玻碳电极插入到的醋酸缓冲溶液(pH 4.0- pH 5.5)，活化时间30 min -60min。

（2）将组装了TiO₂/石墨烯-Nafion的玻碳电极插入到含有一定量待测Pb²⁺离子的醋酸缓冲溶液(pH 4.0- pH 5.5)，差分脉冲伏安法在-0.8V-1.4V电位下沉积，电位增量为0.002 V-0.010V，振幅为0.05-0.10V，脉冲周期为0.1s-0.5s，搅拌条件下沉积80s-150 s，静止5s-15 s。在进行检测时，每一个富集、溶出测定循环之后，该传感界面都要在+0-0.3 V电位下清洗，通过极化作用活化或更新电极表面。在该电位下，电极表面残余的Pb²⁺也能被氧化除去，不会对下次的测量造成干扰。图4为TiO₂/石墨烯-Nafion膜修饰的玻碳电极对不同浓度Pb²⁺的响应曲线，如图所示Pb²⁺在-0.55V-0.70 V左右出现一灵敏的阳极溶出峰。Pb²⁺ 的溶出峰电流与其浓度在1.0×10^-9～1.0×10^-5 molL^-1范围内呈良好的线性关系, 线性方程为： y =0.1085x+1.0489(y表示溶出峰电流，x表示Pb²⁺ 的浓度)。结果表明我们所构建的电化学传感体系适用于对Pb²⁺的灵敏检测。 

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明采用的原子层沉积技术可在石墨烯表面实现纳米级均匀可控的TiO₂包覆，工艺简单，厚度均匀，从而得到尺寸、分布、负载量等可控的不同TiO₂/石墨烯复合材料。

2、本发明所提供的TiO₂/石墨烯复合材料可用于制备检测重金属污染物Pb²⁺的电化学传感器；该工艺成本低廉、操作简便、维持费用低、有望实现对土壤、污水及食品中Pb²⁺的灵敏测量。

附图说明

图1为沉积100个循环的TiO₂还原后得到的TiO₂/石墨烯的TEM照片；

 图2 为Pb²⁺ 分别在石墨烯膜 (a)和TiO₂/石墨烯 (b)膜修饰的玻碳电极上的溶出伏安曲线，其中Pb²⁺浓度为1×10^-5 molL^－1；

图3不同浓度的 Pb²⁺在TiO₂/石墨烯膜修饰的玻碳电极上的溶出伏安曲线，曲线a～e分别为1.0×10^-9, 1.0×10^-8, 1.0×10^-7, 1.0×10^-6，1.0×10^-5 molL^-1的Pb²⁺溶液溶出伏安曲线。

具体实施方式

实施例1

根据Hummer方法以石墨粉为原料合成了石墨氧化物。具体步骤为：称取一定量的石墨粉，往其中加入适量的K₂S₂O₈、P₂O₅和浓硫酸，在80 °C加热4.5 h。然后将此混合物冷却至室温，用去离子水稀释放置过夜后洗涤除去未反应的酸，干燥得到预氧化的石墨。然后将预氧化的石墨放入到硫酸中，加入KMnO₄搅拌，用去离子水稀释，搅拌后再加入去离子水。紧接着将一定浓度一定量 H₂O₂加入到上述混合液中，可以看到溶液的颜色变成了亮黄色。然后将得到的混合液过滤，用盐酸和去离子水分别洗涤除去金属离子和残留的酸。干燥得到石墨氧化物。然后将其配成溶液在超声作用下进行剥离，得到棕黄色的石墨烯氧化物。将石墨烯氧化物分散到石英片上，干燥后转移至原子层沉积设备的反应腔室，设定的ALD 沉积参数为：

反应温度150oC；反应源：采用TiCl₄和H₂O为前体，前体温度均为室温；载气：20 sccm的高纯氮气；单循环脉冲、憋气和吹扫时间：首先H₂O脉冲为0.2 s，憋气时间均为5 s，吹扫时间为10 s；然后石墨烯氧化物脉冲为0.015 s，憋气时间为5 s，吹扫时间为10 s；连续进行20个循环的TiO₂保护膜的沉积。得到的产物在H₂:N₂为5:95的气氛中550oC还原2小时即得到TiO₂包覆的功能化石墨烯复合材料。

玻碳电极先在金相砂纸上打磨， 用蒸馏水冲洗后再在麂皮上用1.0、0.3 和 0.05 μm 的 α-Al2O3浆连续抛光，然后用去离子水淋洗，再分别在硝酸与乙醇混合液（1:1）和去离子水中超声10min，得到表面清洁的玻碳电极。用微量进样器取5μL上述20个循环的TiO₂/石墨烯-Nafion( 1.0 mgmL^-1) 的悬浮液滴涂在电极的表面，在红外灯下烤干。

实施例 2

根据Hummer方法以石墨粉为原料合成了石墨氧化物。具体步骤为：称取一定量的石墨粉，往其中加入适量的K₂S₂O₈、P₂O₅和浓硫酸，在80 °C加热4.5 h。然后将此混合物冷却至室温，用去离子水稀释放置过夜后洗涤除去未反应的酸，干燥得到预氧化的石墨。然后将预氧化的石墨放入到硫酸中，加入KMnO₄搅拌，用去离子水稀释，搅拌后再加入去离子水。紧接着将一定浓度一定量 H₂O₂加入到上述混合液中，可以看到溶液的颜色变成了亮黄色。然后将得到的混合液过滤，用盐酸和去离子水分别洗涤除去金属离子和残留的酸。干燥得到石墨氧化物。然后将其配成溶液在超声作用下进行剥离，得到棕黄色的石墨烯氧化物。将石墨烯氧化物分散到石英片上，干燥后转移至原子层沉积设备的反应腔室，设定的ALD 沉积参数为：

反应温度150oC；反应源：采用石墨烯氧化物和H₂O为前体，前体温度均为室温；载气：20 sccm的高纯氮气；单循环脉冲、憋气和吹扫时间：首先H₂O脉冲为0.2 s，憋气时间均为5 s，吹扫时间为10 s；然后石墨烯氧化物脉冲为0.015 s，憋气时间为5 s，吹扫时间为10 s；连续进行40个循环的TiO₂保护膜的沉积。得到的产物在H₂:N₂为5:95的气氛中550oC还原2小时即得到TiO₂包覆的功能化石墨烯复合材料。

玻碳电极先在金相砂纸上打磨，用蒸馏水冲洗后再在麂皮上用1.0、0.3 和 0.05 μm 的 α-Al2O3浆连续抛光，然后用去离子水淋洗，再分别在硝酸与乙醇混合液（1:1）和去离子水中超声10min，得到表面清洁的玻碳电极。用微量进样器取5μL上述40个循环的TiO₂/石墨烯-Nafion(1.0 mgmL^-1) 的悬浮液滴涂在电极的表面，在红外灯下烤干。

实施例3

根据Hummer方法以石墨粉为原料合成了石墨氧化物。具体步骤为：称取一定量的石墨粉，往其中加入适量的K₂S₂O₈、P₂O₅和浓硫酸，在80 °C加热4.5 h。然后将此混合物冷却至室温，用去离子水稀释放置过夜后洗涤除去未反应的酸，干燥得到预氧化的石墨。然后将预氧化的石墨放入到硫酸中，加入KMnO₄搅拌，用去离子水稀释，搅拌后再加入去离子水。紧接着将一定浓度一定量 H₂O₂加入到上述混合液中，可以看到溶液的颜色变成了亮黄色。然后将得到的混合液过滤，用盐酸和去离子水分别洗涤除去金属离子和残留的酸。干燥得到石墨氧化物。然后将其配成溶液在超声作用下进行剥离，得到棕黄色的石墨烯氧化物。将石墨烯氧化物分散到石英片上，干燥后转移至原子层沉积设备的反应腔室，设定的ALD 沉积参数为：

反应温度150oC；反应源：采用石墨烯氧化物和H₂O为前体，前体温度均为室温；载气：20 sccm的高纯氮气；单循环脉冲、憋气和吹扫时间：首先H₂O脉冲为0.2 s，憋气时间均为5 s，吹扫时间为10 s；然后石墨烯氧化物脉冲为0.015 s，憋气时间为5 s，吹扫时间为10 s；连续进行70个循环的TiO₂保护膜的沉积。得到的产物在H₂:N₂为5:95的气氛中550oC还原2小时即得到TiO₂包覆的功能化石墨烯复合材料。

玻碳电极先在金相砂纸上打磨，用蒸馏水冲洗后再在麂皮上用1.0、0.3 和 0.05 μm 的 α-Al2O3浆连续抛光，然后用去离子水淋洗，再分别在硝酸与乙醇混合液（1:1）和去离子水中超声10min，得到表面清洁的玻碳电极。用微量进样器取5μL上述70个循环的TiO₂/石墨烯-Nafion(1.0 mgmL^-1) 的悬浮液滴涂在电极的表面，在红外灯下烤干。

实施例4

根据Hummer方法以石墨粉为原料合成了石墨氧化物。具体步骤为：称取一定量的石墨粉，往其中加入适量的K₂S₂O₈、P₂O₅和浓硫酸，在80 °C加热4.5 h。然后将此混合物冷却至室温，用去离子水稀释放置过夜后洗涤除去未反应的酸，干燥得到预氧化的石墨。然后将预氧化的石墨放入到硫酸中，加入KMnO₄搅拌，用去离子水稀释，搅拌后再加入去离子水。紧接着将一定浓度一定量 H₂O₂加入到上述混合液中，可以看到溶液的颜色变成了亮黄色。然后将得到的混合液过滤，用盐酸和去离子水分别洗涤除去金属离子和残留的酸。干燥得到石墨氧化物。然后将其配成溶液在超声作用下进行剥离，得到棕黄色的石墨烯氧化物。将石墨烯氧化物分散到石英片上，干燥后转移至原子层沉积设备的反应腔室，设定的ALD 沉积参数为：

反应温度150oC；反应源：采用石墨烯氧化物和H₂O为前体，前体温度均为室温；载气：20 sccm的高纯氮气；单循环脉冲、憋气和吹扫时间：首先H₂O脉冲为0.2 s，憋气时间均为5 s，吹扫时间为10 s；然后石墨烯氧化物脉冲为0.015 s，憋气时间为5 s，吹扫时间为10 s；连续进行100个循环的TiO₂保护膜的沉积。得到的产物在H₂:N₂为5:95的气氛中550oC还原2小时即得到TiO₂包覆的功能化石墨烯复合材料。

从电镜照片可看出（图1），石墨烯表面均匀包覆了约5.0 nm的TiO₂

玻碳电极先在金相砂纸上打磨，用蒸馏水冲洗后再在麂皮上用1.0、0.3 和 0.05 μm 的 α-Al2O3浆连续抛光，然后用去离子水淋洗，再分别在硝酸与乙醇混合液（1:1）和去离子水中超声10min，得到表面清洁的玻碳电极。用微量进样器取5μL上述100个循环的TiO₂/石墨烯-Nafion(1.0 mgmL^-1) 的悬浮液滴涂在电极的表面，在红外灯下烤干。

上述实施例的应用

（1）将组装了TiO₂/石墨烯-Nafion的玻碳电极插入到的醋酸缓冲溶液(pH 4.5)活化30min.

（2） 分别将石墨烯表面包覆了20个、40个、70个和100个循环的TiO₂/石墨烯玻碳电极传感器对一定浓度的Pb²⁺液分别进行测量，结果表明本发明制备的玻碳电极电化学传感器对Pb²⁺的测量灵敏度大大增强（如图2所示）。

（3）电化学测定Pb²⁺

将组装了TiO₂/石墨烯-Nafion的玻碳电极插入到含有一定量待测金属离子的醋酸缓冲溶液(pH 4.5)，差分脉冲伏安法在-1.2V电位下沉积，电位增量为0.005 V，振幅为0.08 V，脉冲周期为0.2 s，搅拌条件下沉积120 s，静止10 s。在进行检测时，每一个富集、溶出测定循环之后，该传感界面都要在+0.1 V电位下清洗，通过极化作用活化或更新电极表面。在该电位下，电极表面残余的Pb²⁺也能被氧化除去，不会对下次的测量造成干扰。图3为TiO₂/石墨烯-Nafion膜修饰的玻碳电极对不同浓度Pb²⁺的响应曲线，如图所示Pb²⁺在-0.62 V左右出现一灵敏的阳极溶出峰。Pb²⁺ 的溶出峰电流与其浓度在1.0×10^-9～1.0×10^-5 molL^-1范围内呈良好的线性关系,线性方程为：y=1.085x＋1.0489（相关系数r=0.9902)。结果表明我们所构建的电化学传感体系适用于对Pb²⁺的灵敏检测。

Claims (1)

1. 一种原子层沉积法制备石墨烯纳米材料电化学传感器的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）先用强质子酸处理石墨，形成石墨层间化合物，然后加入强氧化剂对其进行氧化，形成亲水石墨烯氧化物； 

（2）将步骤（1）得到的石墨烯氧化物分散于石英片上，放入原子层沉积设备的反应腔，进行TiO₂保护膜的沉积;

设定的沉积参数为：

沉积温度150～300 oC；

反应源：采用TiCl₄和H₂O为前体，前体温度均为室温；

载气：10～50 sccm的高纯氮气；

单循环脉冲、憋气和吹扫时间：首先H₂O脉冲时间为0.1～0.5 s，憋气时间为5～7 s，吹扫时间为10～15 s；然后TiCl₄ 脉冲时间为0.01～0.5 s，憋气时间为5～7 s，吹扫时间为10～15 s，此即完成一次沉积循环，重复此沉积循环即得到不同厚度的TiO₂纳米包覆的石墨烯氧化物产物； 

（3）将TiO₂纳米包覆的石墨烯氧化物产物在H₂含量体积百分比为5-10%的H₂与N₂混合气氛中，于450-600℃还原1.5－2.5小时，即得到TiO₂/石墨烯复合材料；

（4）对玻碳电极分别用1.0、0.3 和 0.05 μm 的 α-Al2O3 粉连续抛光，每次抛光后都分别在乙醇和去离子水中超声8-15min，最后玻碳电极用离子水进行冲洗干净备用；　　　　　

（5）将TiO₂/石墨烯复合材料与全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物配制成浓度为0.8-2.0 mg/mL混合液，按混合溶液：玻碳电极表面积=3-10μL：12mm²，将混合溶液滴涂在玻碳电极表面，在红外灯下烘干，得到玻碳电极电化学传感器。

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