CN105911120A - 硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极、制备方法及进行水中重金属检测的方法 - Google Patents

硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极、制备方法及进行水中重金属检测的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)将氧化石墨烯负载到玻碳电极的玻碳表面，得到氧化石墨烯修饰的玻碳电极；(2)以步骤(1)得到的氧化石墨烯修饰的玻碳电极为工作电极，在三电极体系中，在含有活化的有机硫化合物的电解液中，采用恒电位电解法电解得到硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极。本发明提供的硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极用于水中重金属的阳极溶出法检测时，电流响应大，能够进行水中重金属的痕量检测，检测限最低能够达到10‑3mol/L。

Description

硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极、制备方法及进行水中重金属检测的方法
技术领域
本发明属于环境检测及材料制备技术领域，涉及一种硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极、制备方法及使用其进行水中重金属检测的方法，尤其涉及一种硫掺杂氧化石墨烯修饰玻碳电极、制备方法及其在电化学检测溶液中痕量重金属的应用。
背景技术
玻碳电极是玻璃碳电极的简称，玻璃碳简称玻碳，是将聚丙烯腈树脂或酚醛树脂等在惰性气氛中缓慢加热至高温(达1800℃)处理成外形似玻璃状的非晶形碳，适于作电极的电子导体材料。
阳极溶出法，又称反向极谱法(reverse polarography)，是在一定条件下，先将溶液电解一定时间，使待测的金属离子沉积于电极上，然后反向施加电压，到达氧化电压后，富集在电极上的金属重新溶出，根据电解溶出曲线进行测定。因经预先电解富集，这种方法的灵敏度很高，一般可测10-9～10-8mol/L的浓度。
阳极溶出法常用的电极是悬汞电极、汞膜(镀汞)电极和玻璃石墨电极等。但是存在对环境有污染、重复利用性差、检测限高等缺陷。
本领域需要开发一种玻碳电极，其应当解决以上所述的电极的缺陷。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种硫掺杂氧化石墨烯修饰玻碳电极的电化学传感器，该电化学传感器通过将氧化石墨烯溶液负载到玻碳电极表面作为工作电极，并在含有有机硫化物的前驱体溶液中电解还原，制备成硫掺杂氧化石墨烯修饰玻碳电极。所述硫掺杂氧化石墨烯修饰玻碳电极有很好的电导率及重金属选择性，可以作为电化学传感器对溶液中的痕量重金属进行定性定量地检测。
本发明的目的之一在于提供一种硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将氧化石墨烯负载到玻碳电极的玻碳表面，得到氧化石墨烯修饰的玻碳电极；
(2)以步骤(1)得到的氧化石墨烯修饰的玻碳电极为工作电极，在三电极体系中，在含有活化的有机硫化合物的电解液中，采用恒电位电解法电解得到硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极。
通过本发明所述方法制备的硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极不但利用了玻碳电极作为惰性电极的稳定性，还有效地利用了氧化石墨烯的导电性好、可功能化性强的优势。
优选地，所述含有活化的有机硫化合物的电解液的制备过程为：
将有机硫化物溶解在电解液中，通入氧化性气体进行活化，得到含有活化的有机硫化合物的电解液。
优选地，所述有机硫化合物选自含硫杂环化合物、硫酚、硫醇、二硫化物、多硫化物或环状硫化物中的任意1种或至少2种的组合，所述含硫杂环化合物优选噻吩和/或噻唑。
优选地，所述电解液中溶解的有机硫化物的浓度为0.005～1g/mL，例如0.02g/mL、0.2g/mL、0.3g/mL、0.4g/mL、0.5g/mL、0.6g/mL、0.7g/mL等。
优选地，所述电解液为氯化钾溶液，优选浓度为0.1～3mol/L的氯化钾溶液。
优选地，所述氧化性气体为含有氧气和/或臭氧的气体。
优选地，所述活化时间为10～60min，例如15min、24min、36min、45min、57min等。
优选地，所述三电极体系的对电极为铂电极。
优选地，所述三电极体系的参比电极为饱和甘汞电极或氯化银电极。
优选地，所述电解的电位为-0.5～-2.0V，例如-1.5V、-0.8V、-0.6V、-1.3V等。
优选地，所述电解的时间为0.1～10h，例如0.2h、0.8h、2h、5h、7h等。
优选地，所述氧化石墨烯负载到玻碳电极的玻碳表面负载量为1～20μg氧化石墨烯/cm2玻碳表面。
优选地，所述将氧化石墨烯负载到玻碳电极的玻碳表面的方式为：
将氧化石墨烯溶液滴加在玻碳电极的玻碳表面，或者将氧化石墨烯溶液旋涂在玻碳电极的玻碳表面，或者将玻碳电极的玻碳表面浸泡在氧化石墨烯溶液中。
优选地，所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.01-20μg/μL。
优选地，所述氧化石墨烯溶液的滴加量为0.1～200μL。
优选地，所述氧化石墨烯为经过预处理后的氧化石墨烯。
优选地，所述预处理为将Brodie法、Staudenmaier法或Hummers法中的任意1种制备得到的氧化石墨烯分散在丙酮中，之后用聚四氟乙烯薄膜过滤，用丙酮洗涤去除剩余的酸，真空干燥后得到氧化石墨烯。
采用丙酮对氧化石墨烯进行洗涤，能够快速除去氧化石墨烯中的酸。
本发明目的之二是提供一种硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极，所述硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极通过目的之一所述的制备方法制备得到。
本发明目的之三是提供一种水中重金属检测的方法，所述方法使用目的之二所述的硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极作为电化学传感器。
优选地，所述方法包括如下步骤：
(1)调节待测重金属水溶液的pH值；
(2)以权利要求6所述的硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极为工作电极，在三电极体系中，在步骤(1)得到的重金属水溶液中，对重金属采用阳极溶出法进行检测。
优选地，步骤(1)所述重金属水溶液的pH值调节后为3～8。
优选地，所述三电极体系的对电极为铂电极。
优选地，所述三电极体系的参比电极为饱和甘汞电极或氯化银电极。
优选地，阳极溶出法的富集电压为-1.0～0V，富集时间为100～300s。
优选地，阳极溶出法的测定时的扫速为0.001～0.1V/s，扫描的电压范围为-0.9～1.0V，跨步电压为0.001-0.1V。
优选地，所述重金属包括Pb(II)、Cu(II)、Cd(II)、Hg(II)和Ni(II)中的任意1种或至少2种的组合。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极用于水中重金属的阳极溶出法检测时，电流响应大，能够进行水中重金属的痕量检测，检测限最低能够达到10-3mol/L；
(2)本发明提供的硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极稳定性强、可重复利用。
附图说明
图1为实施例1制备的硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极的透射电子显微镜图像；
图2为实施例1得到的Cu2+浓度-电流的响应曲线；
图3为实施例1所述未知溶液中Cu2+浓度的电流响应曲线；
图4为对比例1所述未知溶液中Cu2+浓度的电流响应曲线；
图5实施例2所述未知溶液中Hg2+浓度的电流响应曲线；
图6对比例2所述未知溶液中Hg2+浓度的电流响应曲线。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1：
制备硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极：
将Hummer法制备的氧化石墨烯5g分散5L丙酮去除剩余的酸，得到的固体氧化石墨烯在真空中干燥，之后取10μg的氧化石墨烯均匀滴加在直径为4mm的玻碳电极的玻碳表面，使其负载量为80μg/cm2，得到氧化石墨烯修饰玻碳电极；之后以氧化石墨烯修饰玻碳电极为工作电极，铂电极为对电极，氯化银电极为参比电极，在含有噻吩的氯化钾电解液(噻吩浓度为0.5g/mL，氯化钾浓度为0.1～3mol/L)中，通入氧气30min，在-1.0V下恒电位电解3h，得到硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极，制备得到的硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极的透射电子显微镜图像如图1所示。
制作水溶液中二价铜离子浓度的标准曲线：
采用硝酸铜，分别配制1.56、3.13、4.69、7.81、15.63、31.25、62.5、93.75、15.63μmol/L的Cu2+标准溶液，并分别采用阳极溶出法进行如下二价铜离子浓度的测定，记录响应电流值：
(1)调节标准溶液的pH值至4；
(2)以制备得到的硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极为工作电极，铂电极为对电极，氯化银电极为参比电极，在配制的特定浓度的二价铜离子标准溶液中，采用阳极溶出法进行检测，阳极溶出富集电压为-1.2V，富集时间为100s，测定时的扫速为0.05V/s，扫描的电压范围为-0.6～1.0V，跨步电压为0.001V。
经测定，浓度为1.56、3.13、4.69、7.81、15.63、31.25、62.5、93.75、156.3μmol/L的Cu2+溶液对应的电流响应分别为1.37、2.37、3.46、4.67、12.1、26.6、48.4、64.4、64.4μA，表面电流响应的峰值与Cu2+在0～93.75μmol/L时保持良好的线性关系，线性回归方程为y＝0.71x+0.8486，相关系数为0.991，方法的检出限为8.44×10-8mol/L，得到的Cu2+浓度-电流的响应曲线如图2所示。
未知溶液中Cu2+浓度的检测：
为了表征测试方法的准确性，未知溶液选用配制的Cu2+水溶液，其中Cu2+浓度为32μmol/L，具体步骤为：
(1)调节待测重金属水溶液的pH值至4；
(2)以制备得到的硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极为工作电极，铂电极为对电极，氯化银电极为参比电极，在待测Cu2+浓度的溶液中，采用阳极溶出法进行检测，阳极溶出富集电压为-1.2V，富集时间为100s，测定时的扫速为0.05V/s，扫描的电压范围为-0.6～1.0V，跨步电压为0.001V；
经检测，其响应电流峰值为23～25μA，带入标准曲线后，计算浓度为31.2～34.0μmol/L。与配制的浓度32μmol/L相差0.8～2μmol/L，标准偏差为5％左右。图3为未知溶液中Cu2+浓度的电流响应曲线；
对比例1
制备氧化石墨烯修饰的玻碳电极：
与实施例1的区别在于，不进行硫掺杂，具体步骤为：
将Hummer法制备的氧化石墨烯5g分散在丙酮里，用5L丙酮去除剩余的酸，得到的固体氧化石墨烯在真空中干燥，之后取10μg的氧化石墨烯均匀滴加在直径为4mm的玻碳电极的玻碳表面，使其负载量为80μg/cm2，得到氧化石墨烯修饰玻碳电极。
未知溶液中Cu2+浓度的检测：
为了表征测试方法的准确性，未知溶液选用配制的Cu2+水溶液，其中Cu2+浓度为0.5mol/L，具体步骤为：
(1)调节待测重金属水溶液的pH值至3～8；
(2)以制备得到的硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极为工作电极，铂电极为对电极，氯化银电极为参比电极，在待测Cu2+浓度的溶液中，采用阳极溶出法进行检测，阳极溶出富集电压为-1.2V，富集时间为100s，测定时的扫速为0.05V/s，扫描的电压范围为-0.6～1.0V，跨步电压为0.001V；
经检测，其响应电流峰值为18～20μA，所述电流的响应远低于实施例1的响应，可以判断不进行硫掺杂的氧化石墨烯修饰的玻碳电极的检测限的浓度较高。图4为对比例1所述未知溶液中Cu2+浓度的电流响应曲线。
实施例2
制备硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极：
将Hummer法制备的氧化石墨烯10g分散在2L丙酮里去除剩余的酸，得到的固体氧化石墨烯在真空中干燥，之后取10μg的氧化石墨烯均匀滴加在直径为4mm的玻碳电极的玻碳表面，使其负载量为80μg/cm2，得到氧化石墨烯修饰玻碳电极；之后以氧化石墨烯修饰玻碳电极为工作电极，铂电极为对电极，氯化银电极为参比电极，在含有的噻吩的氯化钾电解液(噻吩浓度为0.03g/mL，氯化钾浓度为1mol/L)中，通入氧气40min，在-1.4V下恒电位电解1h，得到硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极。
未知溶液中Hg2+浓度的检测：
为了表征测试方法的准确性，未知溶液选用配制的Hg2+水溶液，其中Hg2+浓度为0.5mol/L，具体步骤为：
(1)调节待测重金属水溶液的pH值至3～8；
(2)以制备得到的硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极为工作电极，铂电极为对电极，氯化银电极为参比电极，在待测Hg2+浓度的溶液中，采用阳极溶出法进行检测，阳极溶出富集电压为-1.4V，富集时间为200s，测定时的扫速为0.05V/s，扫描的电压范围为-0.6～0.6V，跨步电压为0.01V；
经检测，其响应电流峰值为8～10μA。图5实施例2所述未知溶液中Hg2+浓度的电流响应曲线。
对比例2
制备氧化石墨烯修饰的玻碳电极：
与实施例1的区别在于，不进行硫掺杂，具体步骤为：
将Hummer法制备的氧化石墨烯10g分散在丙酮里，用2L丙酮去除剩余的酸，得到的固体氧化石墨烯在真空中干燥，之后取10μg的氧化石墨烯均匀滴加在玻碳电极的玻碳表面，使其负载量为80μg/cm2，得到氧化石墨烯修饰玻碳电极。
未知溶液中Hg2+浓度的检测：
为了表征测试方法的准确性，未知溶液选用配制的Hg2+水溶液，其中Hg2+浓度为0.5mol/L，具体步骤为：
(1)调节待测重金属水溶液的pH值至3；
(2)以制备得到的硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极为工作电极，铂电极为对电极，氯化银电极为参比电极，在待测Hg2+浓度的溶液中，采用阳极溶出法进行检测，阳极溶出富集电压为-1.4V，富集时间为200s，测定时的扫速为0.05V/s，扫描的电压范围为-0.6～0.6V，跨步电压为0.01V；
经检测，其响应电流峰值为3.5～4.0μA。图6对比例2所述未知溶液中Hg2+浓度的电流响应曲线。
实施例3
制备硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极：
将Hummer法制备的氧化石墨烯5g分散在5L丙酮中去除剩余的酸，得到的固体氧化石墨烯在真空中干燥，之后取12.5μg的氧化石墨烯均匀滴加在直径为4mm的玻碳电极的玻碳表面，使其负载量为0.1g/cm2，得到氧化石墨烯修饰玻碳电极；之后以氧化石墨烯修饰玻碳电极为工作电极，铂电极为对电极，氯化银电极为参比电极，在含有噻吩的氯化钾电解液(噻吩浓度为0.005g/mL，氯化钾浓度为0.1mol/L)中，通入氧气10min，在-0.5V下恒电位电解10h，得到硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极。
实施例4
制备硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极：
将Hummer法制备的氧化石墨烯5g分散在5L丙酮中去除剩余的酸，得到的固体氧化石墨烯在真空中干燥，之后取12.5μg的氧化石墨烯均匀滴加在直径为4mm的玻碳电极的玻碳表面，使其负载量为0.1g/cm2，得到氧化石墨烯修饰玻碳电极；之后以氧化石墨烯修饰玻碳电极为工作电极，铂电极为对电极，氯化银电极为参比电极，在含有噻吩的氯化钾电解液(噻吩浓度为1g/mL，氯化钾浓度为3mol/L)中，通入氧气60min，在-2V下恒电位电解0.1h，得到硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将氧化石墨烯负载到玻碳电极的玻碳表面，得到氧化石墨烯修饰的玻碳电极；
(2)以步骤(1)得到的氧化石墨烯修饰的玻碳电极为工作电极，在三电极体系中，在含有活化的有机硫化合物的电解液中，采用恒电位电解法电解得到硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含有活化的有机硫化合物的电解液的制备过程为：
将有机硫化物溶解在电解液中，通入氧化性气体进行活化，得到含有活化的有机硫化合物的电解液；
优选地，所述有机硫化合物选自含硫杂环化合物、硫酚、硫醇、二硫化物、多硫化物或环状硫化物中的任意1种或至少2种的组合，所述含硫杂环化合物优选噻吩和/或噻唑；
优选地，所述电解液中溶解的有机硫化物的浓度为0.005～1g/mL；
优选地，所述电解液为氯化钾溶液，优选浓度为0.1～3mol/L的氯化钾溶液；
优选地，所述氧化性气体为含有氧气和/或臭氧的气体；
优选地，所述活化时间为10～60min。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述三电极体系的对电极为铂电极；
优选地，所述三电极体系的参比电极为饱和甘汞电极或氯化银电极；
优选地，所述电解的电位为-0.5～-2.0V；
优选地，所述电解的时间为0.1～10h。
4.如权利要求1～3之一所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯负载到玻碳电极的玻碳表面负载量为1～20μg氧化石墨烯/cm2玻碳表面；
优选地，所述将氧化石墨烯负载到玻碳电极的玻碳表面的方式为：
将氧化石墨烯溶液滴加在玻碳电极的玻碳表面，或者将氧化石墨烯溶液旋涂在玻碳电极的玻碳表面，或者将玻碳电极的玻碳表面浸泡在氧化石墨烯溶液中；
优选地，所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.01-20μg/μL；
优选地，所述氧化石墨烯溶液的滴加量为0.1～200μL。
5.如权利要求1～4之一所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯为经过预处理后的氧化石墨烯；
优选地，所述预处理为将Brodie法、Staudenmaier法或Hummers法中的任意1种制备得到的氧化石墨烯分散在丙酮中，之后用聚四氟乙烯薄膜过滤，用丙酮洗涤去除剩余的酸，真空干燥后得到氧化石墨烯。
6.一种硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极，其特征在于，所述硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极通过权利要求1～5之一所述的制备方法制备得到。
7.一种水中重金属检测的方法，其特征在于，所述方法使用权利要求6所述的硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极作为电化学传感器。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)调节待测重金属水溶液的pH值；
(2)以权利要求6所述的硫掺杂氧化石墨烯修饰的玻碳电极为工作电极，在三电极体系中，在步骤(1)得到的重金属水溶液中，对重金属采用阳极溶出法进行检测。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述重金属水溶液的pH值调节后为3～8；
优选地，所述三电极体系的对电极为铂电极；
优选地，所述三电极体系的参比电极为饱和甘汞电极或氯化银电极；
优选地，阳极溶出法的富集电压为-1.0～0V，富集时间为100～300s；
优选地，阳极溶出法的测定时的扫速为0.001～0.1V/s，扫描的电压范围为-0.9～1.0V，跨步电压为0.001-0.1V。
10.如权利要求7～9之一所述的方法，其特征在于，所述重金属包括Pb(II)、Cu(II)、Cd(II)、Hg(II)和Ni(II)中的任意1种或至少2种的组合。
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