CN104634836A - 氧化石墨相氮化碳修饰电极的制备方法及其对重金属离子检测的应用 - Google Patents

Abstract

氧化石墨相氮化碳修饰电极的制备方法，包括：（1）氧化石墨相氮化碳的制备；（2）氧化石墨相氮化碳传感器的制备。上述电极在对重金属离子检测方面的应用。氧化石墨相氮化碳具有三维孔洞结构，比表面积大，表面含有羟基、羧基和环氧基团等亲水性基团，将氧化石墨相氮化碳应用在电化学传感器上，采用差示脉冲溶出伏安法检测重金属离子Cu²⁺，优化富集时间、富集电位、溶液pH值、修饰量等因素对溶出峰电流的影响。在富集时间为300s，富集电位为-0.6V，溶液pH为4.68，修饰量为12μL的实验条件，标准曲线呈现良好的线性关系，线性范围为1.60×10^-15 mol/L~6.31×10^-5 mol/L，线性方程为i_p (μA)= 1.2533C(μmol/L)+6.2232，相关系数(R)为0.9989，检出限(S/N=3)达1×10^-16 mol/L，对重金属离子检测具有超高灵敏度。

Description

氧化石墨相氮化碳修饰电极的制备方法及其对重金属离子检测的应用

技术领域

本发明涉及利用新材料氧化石墨相氮化碳作为电化学传感器，用于检测重金属离子。

背景技术

随着工业的迅速发展，重金属污染已经成为日益严重的环境污染问题之一，由于重金属不易被生物代谢，容易积蓄在生物体内，造成重金属中毒。因此，重金属的检测显得尤为重要。传统的检测重金属方法主要有原子吸收光谱法、原子发射光谱法、电感耦合等离子质谱法等，但这些方法往往存在仪器设备大型昂贵、实验操作复杂、需要有经验的操作者等缺点，而电化学中的溶出伏安法具有仪器设备简单、灵敏度高、选择性好等优点，广泛地应用于重金属的检测。

电化学传感器表面修饰材料的研究与设计，成为一个全新活跃的研究领域。各种含碳材料在电极修饰方面应用颇多。Yang等采用羧基化的水溶性碳纳米管作为增敏剂检测痕量镉，Tang等利用石墨烯修饰铂电极制备的电化学传感器测定水中微量重金属镉和铅。

石墨相氮化碳是目前为止最硬的材料，具有良好的化学惰性，其稳定性高于金刚石，能够弥补金刚石稳定性差的不足。但在g - C₃N₄的应用过程中存在一个问题，由于g - C₃N₄的化学稳定性高，各片层存在很强的作用力，表面呈惰性状态，从而导致片层极易堆叠在一起很难分散开来，很难溶解于溶剂中，更难与其他无机材料或有机材料均匀地复合。这给g - C₃N₄的成膜造成一定的难题。

发明内容

本发明提供了一种氧化石墨相氮化碳修饰电极的制备方法及其对重金属离子检测的应用，本发明首次将改性后的氧化石墨相氮化碳应用于电化学传感器上检测重金属离子，对重金属离子Cu²⁺有超高的灵敏度响应。

本发明的第一个目的是通过以下技术方案实现的，氧化石墨相氮化碳修饰电极的制备方法，包括以下步骤：

第一，氧化石墨相氮化碳的制备：

（1）在冰水浴条件下，加入浓硫酸，在磁力搅拌器下，加入石墨相氮化碳，溶液呈黄色，然后缓慢加入高锰酸钾，加完后计时，在搅拌下反应2-3小时，溶液呈成深棕色，控制反应温度为不超过5 ℃；

（2）步骤（1）得到的深棕色溶液继续在35-45 ℃的水浴下搅拌反应，有大量气泡产生，反应1个小时后，缓慢加入去离子水稀释；

（3）在步骤（2）得到稀释液中加入1-2mol/L的双氧水还原，严格控制还原温度在35-45 ℃，直至溶液呈乳白色；

（4）继续将步骤（3）得到的乳白色溶液趁热过滤，用1-2mol/L的盐酸和去离子水充分洗涤，使溶液呈中性；在30-40 ℃下真空干燥，得到白色粉末状氧化石墨相氮化碳，其结构式为：

，所述R1为-OH，R2为-CHO，R3为-COOH。

第二，氧化石墨相氮化碳传感器的制备：

（1）玻碳电极首先在细砂纸上抛光，然后于加有湿润的Al₂O₃粉末（0.05-0.3 μm）的丝绸上抛光，再用二次蒸馏水超声清洗2 min，最后再分别用二次蒸馏水，乙醇（乙醇：去离子水1：1，v/v）和硝酸（硝酸：去离子水1：1，v/v）超声20-30min；预处理后，将玻碳电极在0.5 mol/L H₂SO₄溶液中，在- 0.5 V ～ + 1.6 V范围内以100 mV/s进行循环扫描至稳定；

（3）取一定量的氧化石墨相氮化碳和壳聚糖按质量比100：1于20 ml容量瓶中，加入10 ml超纯水超声2 h成1 mg/L均匀乳白色的氧化石墨相氮化碳与壳聚糖的混合溶液，每10毫克氧化石墨相氮化碳对应0.1mg的壳聚糖，每毫克氧化石墨相氮化碳对应1ml超纯水；取12 μL浓度为1 mg/L氧化石墨相氮化碳与壳聚糖的混合溶液滴涂于预处理好的玻碳电极上，之后再红外灯下烘干，得到氧化石墨相氮化碳/壳聚糖/玻碳修饰电极/CTS/GCE。

优选地，氧化石墨相氮化碳的制备步骤（1）中所述浓硫酸的用量为每克所述石墨相氮化碳对应23ml浓硫酸。

优选地，氧化石墨相氮化碳的制备步骤（1）中所述高锰酸钾的用量为每克所述石墨相氮化碳对应3克高锰酸钾。

优选地，氧化石墨相氮化碳的制备步骤（2）中所述去离子水的用量为每克所述石墨相氮化碳对应100ml去离子水。

上述方法制备的氧化石墨相氮化碳修饰电极在重金属离子检测方面的应用，包括以下步骤：

（1）采用三电极体系，以所述氧化石墨相氮化碳/壳聚糖/玻碳修饰电极/CTS/GCE为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极，于40 ml 0.05 mol/L邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液中，加入Cu²⁺标准溶液，以氧化石墨相氮化碳/壳聚糖/玻碳修饰电极/CTS/GCE修饰电极为工作电极，在- 0.2 V ~ + 0.8 V电位范围内，以100 mV/s速度进行循环伏安扫描，研究工作电极对Cu²⁺的响应机理；

（2）在40 ml 0.05 mol/L的邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液中，加入不同浓度的Cu²⁺标准溶液，在- 0.2 V ～ + 0.8 V电位下扫描，采用差分脉冲溶出伏安法DPV进行测定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明首次对 g - C₃N₄进行表面改性，在g - C₃N₄的边缘处及缺陷处引入了大量的亲水性基团，改善g - C₃N₄在溶液中的分散性，赋予材料新的物理、化学特性，改善g - C₃N₄与其他材料的相容性。

第二，本发明首次将改性后的氧化石墨相氮化碳应用于电化学传感器上检测重金属离子，结果对重金属离子Cu²⁺有超高的灵敏度响应，检出限为1×10^-16 mol/L，是迄今为止最低的。

第三，本发明制备的新材料氧化石墨相氮化碳具有三维孔洞结构，比表面积大，表面含有羟基、羧基和环氧基团等亲水性基团，将氧化石墨相氮化碳应用在电化学传感器上，采用差示脉冲溶出伏安法检测重金属离子Cu²⁺，优化富集时间、富集电位、溶液pH值、修饰量等因素对溶出峰电流的影响。在富集时间为300 s，富集电位为- 0.6 V，溶液pH为4.68，修饰量为12 μL的实验条件，标准曲线呈现良好的线性关系，线性范围为1.60×10^-15 mol/L ~ 6.31×10^-5 mol/L，线性方程为i_p ( μA ) = 1.2533 C ( μmol/L ) + 6.2232，相关系数 ( R ) 为0.9989，检出限 ( S / N = 3) 达1×10^-16 mol/L，对重金属离子检测具有超高灵敏度。

附图说明

图1是本发明制得的氧化石墨相氮化碳的扫描电镜图。

图2是本发明制得的氧化石墨相氮化碳的透射电镜图。

图3是Cu²⁺在壳聚糖修饰电极和氧化石墨相氮化碳/壳聚糖修饰电极的循环伏安对比图。

图4是不同浓度Cu²⁺在氧化石墨相氮化碳/壳聚糖修饰电极的溶出伏安曲线图。

图5A是本发明制得的氧化石墨相氮化碳对浓度1.76×10^-8 mol/L Cu²⁺平行测定10次的溶出伏安曲线图。

图5B是本发明制得的氧化石墨相氮化碳对浓度1.76×10^-8 mol/L Cu²⁺平行测定10次的峰电流图。

具体实施方式

氧化石墨相氮化碳修饰电极的制备方法，包括以下步骤：

第一，氧化石墨相氮化碳的制备：

（1）在冰水浴条件下，加入浓硫酸，在磁力搅拌器下，加入石墨相氮化碳，溶液呈黄色，然后缓慢加入高锰酸钾，加完后计时，在搅拌下反应2-3小时，溶液呈成深棕色，控制反应温度为不超过5 ℃；

（2）步骤（1）得到的深棕色溶液继续在35-45 ℃的水浴下搅拌反应，有大量气泡产生，反应1个小时后，缓慢加入去离子水稀释；

（3）在步骤（2）得到稀释液中加入1-2 mol/L的双氧水还原，严格控制还原温度在35-45 ℃，直至溶液呈乳白色；

（4）继续将步骤（3）得到的乳白色溶液趁热过滤，用1-2 mol/L的盐酸和去离子水充分洗涤，使溶液呈中性；在30-40 ℃下真空干燥，得到白色粉末状氧化石墨相氮化碳；

第二，氧化石墨相氮化碳传感器的制备：

（1）玻碳电极首先在细砂纸上抛光，然后于加有湿润的Al₂O₃粉末的丝绸上抛光，再用二次蒸馏水超声清洗2 min，最后再依次用二次蒸馏水、乙醇溶液和稀硝酸分别超声10-20min，所述乙醇溶液中乙醇与去离子水的体积比为1：1，所述稀硝酸中的硝酸与去离子水的体积比为1：1；预处理后，将玻碳电极在0.5 mol/L H₂SO₄溶液中，在- 0.5 V ～ + 1.6 V范围：内以100 mV/s进行循环扫描至稳定；

（2）将氧化石墨相氮化碳与壳聚糖于容量瓶中，加入超纯水超声2 h成1 mg/L均匀乳白色的氧化石墨相氮化碳与壳聚糖的混合溶液，每10毫克氧化石墨相氮化碳对应0.1 mg的壳聚糖，每毫克氧化石墨相氮化碳对应1 ml超纯水；取12 μL浓度为1 mg/L氧化石墨相氮化碳与壳聚糖的混合溶液滴涂于预处理好的玻碳电极上，之后再红外灯下烘干，得到氧化石墨相氮化碳/壳聚糖/玻碳修饰电极/CTS/GCE。

氧化石墨相氮化碳的制备步骤（1）中所述浓硫酸的用量为每克所述石墨相氮化碳对应23ml浓硫酸。

所述氧化石墨相氮化碳的制备步骤（1）中所述高锰酸钾的用量为每克所述石墨相氮化碳对应3克高锰酸钾。

所述氧化石墨相氮化碳的制备步骤（2）中所述去离子水的用量为每克所述石墨相氮化碳对应100ml去离子水。

所述丝绸上的Al₂O₃粉末的粒径为0.05-0.3 μm。

上述制备方法制备的氧化石墨相氮化碳修饰电极在重金属离子检测方面的应用，包括以下步骤：

（1）采用三电极体系，以所述/CTS/GCE为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极，于40 ml 0.05 mol/L邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液中，加入Cu²⁺标准溶液，以所述/CTS/GCE修饰电极为工作电极，在- 0.2 V ~ + 0.8 V电位范围内，以100 mV/s速度进行循环伏安扫描，研究工作电极对Cu²⁺的响应机理；

（2）在40 ml 0.05 mol/L的邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液中，加入不同浓度的Cu²⁺标准溶液，在- 0.2 V ～ + 0.8 V电位下扫描，采用差分脉冲溶出伏安法DPV进行测定。

实施例1

一、氧化石墨相氮化碳的合成步骤：

（1）、 称取一定量的三聚氰胺置于管式炉中，以5 ℃/min的升温速度在550 ℃煅烧2 h，研磨得到粉末状淡黄色石墨结构的氮化碳（g - C₃N₄）。

（2）、在冰水浴条件下，加入46 ml浓硫酸，在磁力搅拌器下，加入2 g石墨相氮化碳。

（3）、在步骤二中缓慢加入6 g KMnO₄，加完后计时，在搅拌下反应3小时，溶液呈成深棕色。

（4）、将步骤三的烧杯转移至温度为35 ℃的水浴中，继续磁力搅拌，缓慢加入200 ml去离子水稀释，控制温度不超过40 ℃，反应1 h。

（5）、向步骤四中的烧杯中缓慢加入5 %的双氧水还原，溶液呈乳白色。趁热过滤。用5 %的HCl和去离子水充分洗涤，使溶液呈中性，最后在30 ℃下真空干燥箱中烘干得到白色粉末氧化石墨相氮化碳()。

氧化石墨相氮化碳应用在电化学传感器上，具体测试步骤如下：

（1）电极的制备：玻碳电极（Φ 3 mm）首先在细砂纸上抛光，然后于加有湿润的Al₂O₃粉末（0.05 μL）的丝绸上抛光，再用二次蒸馏水超声清洗2 min；最后再分别用二次蒸馏水，乙醇（1：1，v/v）和硝酸（1：1，v/v）超声。预处理后，将玻碳电极在0.5 M H₂SO₄溶液中，在- 0.5 V ～ + 1.6 V范围内以100 mV/s进行循环扫描至稳定。取10 mg和5 ml 5 %的壳聚糖于20 ml容量瓶中，加入10 ml超纯水超声2 h成1 mg/L均匀乳白色的羧基化石墨相氮化碳与壳聚糖的混合溶液，取12 μL滴涂于预处理好的玻碳电极上，让其在红外灯下烘干。

（2）电化学测试：循环伏安曲线（CV）和差分脉冲溶出伏安法（DPV）实验在上海辰华电化学工作站上进行，采用三电极体系，以/CTS/GCE为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极。于40 ml 0.05 mol/L邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液中，加入一定量的Cu²⁺标准溶液，以g - C₃N₄ - OH/CTS/GCE修饰电极为工作电极，在- 0.2 V ~ + 0.8 V电位范围内，以100 mV/s速度进行循环伏安扫描，研究工作电极对Cu²⁺的响应机理。在40 ml 0.05 mol/L的邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液中，加入不同浓度的Cu²⁺标准溶液，在- 0.2 V ～ + 0.8 V电位下扫描，采用差分脉冲溶出伏安法（DPV）进行测定。

本发明的性能测试，结果如下：

图1是本发明制得的氧化石墨相氮化碳的扫描电镜图，从图中可以得到新材料氧化石墨相氮化碳的形貌呈不规则三维孔洞结构，比表面积大。

图2是本发明制得的氧化石墨相氮化碳的透射电镜图，从图中可以清晰看到氧化石墨相氮化碳的结构为网状结构。

考察了壳聚糖修饰电极和氧化石墨相氮化碳/壳聚糖修饰电极在pH 4.68 0.05 mol/L的邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液中对7.67×10^-6  mol/L Cu²⁺的循环伏安曲线，如图3所示，两种电极均在- 0.02 V左右出现氧化峰。氧化石墨相氮化碳/壳聚糖修饰电极与壳聚糖修饰电极相比较，氧化石墨相氮化碳/壳聚糖修饰电极峰型较好，峰电流明显增大，说明氧化石墨相氮化碳/壳聚糖修饰电极对Cu²⁺有很强的响应。这可归因为石墨相氮化碳本身是一种三嗪类含氮化合物，其中含氮的化合物可作为金属离子的配体，且石墨相氮化碳片层结构表面带有部分负电荷，可在静电作用下吸附重金属Cu²⁺。同时在改性的过程中形貌变成具有孔道蜂窝状结构，比表面积大大增大，并引入了大量的羟基（- OH）、羧基（- COOH）等亲水性基团，这些基团能均匀分布在孔道表面，能对水溶液中重金属离子有很高的吸附量，此外壳聚糖是一种生物相性聚合物，对重金属有很好的配位能力。因此，氧化石墨相氮化碳/壳聚糖修饰电极对重金属Cu²⁺的检测显示更强的响应。

在最优实验条件下检测一系列标准浓度Cu²⁺溶液的溶出伏安曲线，得到峰电流与浓度的关系曲线。结果如图4所示，在1.6×10^-15~6.31×10^-5 mol/L浓度范围内，两者呈现良好的线性关系，相关系数（R）为0.9989，线性方程为i_p ( μA ) = 1.2533 C ( μmol/L ) + 6.2232 。检出限为1×10^-16 mol/L，本文提出的传感器相比较其他传感器相比，具有更高的灵敏度，线性范围宽且检出限更低。

在最佳实验条件下，比较了5支氧化石墨相氮化碳/壳聚糖修饰电极检测浓度1.76×10^-8 mol/L Cu²⁺的溶出峰电流，如图5所示，结果发现，5支电极的溶出峰电流的相对标准偏差（RSD）仅为2.8 %，表明氧化石墨相氮化碳/壳聚糖修饰电极具有较好的重现性。选择同1支修饰电极对含有浓度1.76×10^-8mol/L Cu²⁺的溶液平行检测10次，记录溶出峰电流值，结果如图5b所示,重复10次检测的RSD为3.1 %，电极具有很好的稳定性。将氧化石墨相氮化碳应用在电化学传感器上检测重金属铜离子含量，将氧化石墨相氮化碳与壳聚糖混合溶液作为修饰液，采用差示脉冲溶出伏安法，结果显示该电极大大提高了对重金属离子Cu²⁺检测的灵敏度，并且该修饰电极制备简易、重现性及稳定性好、线性范围宽，检出限是目前最低的，可进一步检测实际水样中的Cu²⁺含量。通过以上实验结果得出结论，本发明改性合成的氧化石墨相氮化碳具有优良的性能，可作为一种新型电极材料。可进一步制作成新型树脂，去除环境水体中的重金属离子，并在医药生物、环境上具有广泛的应用前景。

Claims (6)

1. 氧化石墨相氮化碳修饰电极的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

第一，氧化石墨相氮化碳的制备：

（1）在冰水浴条件下，加入浓硫酸，在磁力搅拌器下，加入石墨相氮化碳，溶液呈黄色，然后缓慢加入高锰酸钾，加完后计时，在搅拌下反应2-3小时，溶液呈成深棕色，控制反应温度为不超过5 ℃；

（2）步骤（1）得到的深棕色溶液继续在35-45 ℃的水浴下搅拌反应，有大量气泡产生，反应1个小时后，缓慢加入去离子水稀释；

（3）在步骤（2）得到稀释液中加入1-2 mol/L的双氧水还原，严格控制还原温度在35-45 ℃，直至溶液呈乳白色；

（4）继续将步骤（3）得到的乳白色溶液趁热过滤，用1-2 mol/L的盐酸和去离子水充分洗涤，使溶液呈中性；在30-40 ℃下真空干燥，得到白色粉末状氧化石墨相氮化碳；

第二，氧化石墨相氮化碳传感器的制备：

（1）玻碳电极首先在细砂纸上抛光，然后于加有湿润的Al₂O₃粉末的丝绸上抛光，再用二次蒸馏水超声清洗2 min，最后再依次用二次蒸馏水、乙醇溶液和稀硝酸分别超声10-20min，所述乙醇溶液中乙醇与去离子水的体积比为1：1，所述稀硝酸中的硝酸与去离子水的体积比为1：1；预处理后，将玻碳电极在0.5 mol/L H₂SO₄溶液中，在- 0.5 V ～ + 1.6 V范围：内以100 mV/s进行循环扫描至稳定；

（2）将氧化石墨相氮化碳与壳聚糖于容量瓶中，加入超纯水超声2 h成1 mg/L均匀乳白色的氧化石墨相氮化碳与壳聚糖的混合溶液，每10毫克氧化石墨相氮化碳对应0.1 mg的壳聚糖，每毫克氧化石墨相氮化碳对应1 ml超纯水；取12 μL浓度为1 mg/L氧化石墨相氮化碳与壳聚糖的混合溶液滴涂于预处理好的玻碳电极上，之后再红外灯下烘干，得到氧化石墨相氮化碳/壳聚糖/玻碳修饰电极。

2. 根据权利要求1所述的氧化石墨相氮化碳修饰电极的制备方法，其特征是，所述氧化石墨相氮化碳的制备步骤（1）中所述浓硫酸的用量为每克所述石墨相氮化碳对应23ml浓硫酸。

3. 根据权利要求1所述的氧化石墨相氮化碳修饰电极的制备方法，其特征是，所述氧化石墨相氮化碳的制备步骤（1）中所述高锰酸钾的用量为每克所述石墨相氮化碳对应3克高锰酸钾。

4. 根据权利要求1所述的氧化石墨相氮化碳修饰电极的制备方法，其特征是，所述氧化石墨相氮化碳的制备步骤（2）中所述去离子水的用量为每克所述石墨相氮化碳对应100ml去离子水。

5. 根据权利要求1所述的氧化石墨相氮化碳修饰电极的制备方法，其特征是，所述丝绸上的Al₂O₃粉末的粒径为0.05-0.3 μm。

6. 权利要求1所制备的氧化石墨相氮化碳修饰电极在重金属离子检测方面的应用，其特征是，包括以下步骤：

（1）采用三电极体系，以所述氧化石墨相氮化碳/壳聚糖/玻碳修饰电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极，于40 ml 0.05 mol/L邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液中，加入Cu²⁺标准溶液，以所述氧化石墨相氮化碳/壳聚糖/玻碳修饰电极为工作电极，在- 0.2 V ~ + 0.8 V电位范围内，以100 mV/s速度进行循环伏安扫描，研究工作电极对Cu²⁺的响应机理；

（2）在40 ml 0.05 mol/L的邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液中，加入不同浓度的Cu²⁺标准溶液，在- 0.2 V ～ + 0.8 V电位下扫描，采用差分脉冲溶出伏安法DPV进行测定。