CN106770513B - 一种高灵敏度检测芳硝基化合物的电极材料及其制备方法 - Google Patents

一种高灵敏度检测芳硝基化合物的电极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高灵敏度检测芳硝基化合物的电极材料及其制备方法，通过惰性气氛下的700~900℃下热解钴盐或钴、铁混合盐，氢氧化钾或氢氧化钠，固体有机物三类物质的混合物，然后通过酸洗干燥后获得普鲁士蓝/碳复合材料。原料中固体有机物和金属盐的混合物中至少含有碳、氢、氧、氮四种非金属元素。其中碳、氢、氧元素来自葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、氨基葡萄糖、尿素、三聚氰胺中的一种或是多种，氮元素来自氨基葡萄糖、尿素、三聚氰胺、硝酸钴、硝酸铁中的一种或多种。所得到复合材料中，普鲁士蓝和碳两种组分是高温热解过程中生成并共生在一起，没有使用现成的碳材料、普鲁士蓝或氰化物原料。用于检测芳硝基化合物时，具备灵敏度高、检测范围宽，检测限低，稳定性好的特点。

Description

一种高灵敏度检测芳硝基化合物的电极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电分析化学与水质监测领域，特别是提供了一种用于检测芳硝基化合物的高灵敏度电极材料和制备方法。
背景技术
芳硝基类化合物是指芳香环上有一个或多个硝基取代基的化合物，是一类具有毒性、致突变、致癌的物质。而且多硝基芳香族化合物（例如三硝基甲苯）还具有强烈的爆炸性，常被恐怖分子所利用，对社会稳定和安全形成了极大的威胁。芳硝基类化合物也是医药、农药、合成染料等精细化工行业的重要化工原料和中间体，在其生产和使用过程所产生的废水中不可避免地会含有一定量的芳硝基化合物，由此也对水体环境安全造成了极大的威胁。因此，对芳硝基化合物进行快速、灵敏检测具有重要的现实意义。目前，已经开发的方法包括离子迁移光谱、质谱法、液相色谱-质谱联用法、太赫兹光谱法、荧光法和电化学传感器法等，其中电化学传感器法因其检测快、体积小、成本低的优点而备受关注，尤其是在在线监测领域。
目前，电化学传感器法成功应用于芳硝基化合物的检测，关键在于配置高灵敏度、高信噪比的电极材料。目前已有的传感器电极材料包括多孔硅、聚合物、贵金属以及碳材料等（CN102830147B，Electrochimica Acta, 2014. 128: p. 85-90， AnalyticalChemistry, 2015. 87(8): p. 4436-4441.）。碳材料因其表面官能团多、比表面积大，能够极大的吸附富集芳硝基化合物分子，因此能够提高电化学检测的信号。通过特定官能团或有机分子改性的碳纳米管、石墨烯材料，或者利用氢氟酸刻蚀SiO2模板碳材料后的得到高表面积和孔隙率的有序介孔碳材料，在用于芳硝基化合物的检测时，均具备较高的灵敏度，但是上述方法存在制备过程复杂，有毒试剂使用多的或者成本高的缺点，且所制备的电极材料对芳硝基分子检测的灵敏度依然有待提高。
发明内容
针对现有芳硝基化合物检测电极的缺点，提出本发明。本发明的目的在于提供一种高灵敏度检测芳硝基化合物所需的电极材料和制备方法，电极材料为普鲁士蓝类似物与碳复合电极材料，其制备方法简单、原料易得，应用于水体中芳硝基化合物的检测具有灵敏度高、检测限低、稳定性好、线性范围宽的特点。
本发明提供的一种高灵敏度检测芳硝基化合物所需的普鲁士蓝与碳复合的电极材料及其制备方法区别于现有技术的特征在于，以葡萄糖或氨基葡萄糖等固体有机物为碳源和氧源或氮源，钴盐或钴、铁混合盐为热解催化剂和金属源或氮源，以氢氧化钾（可用氢氧化钠替代）为活化剂，无任何含氰化合物原料使用。通过简单的高温一步热解过程和后续酸洗转化过程即制备了普鲁士蓝与碳共生的复合材料。本发明的用于高灵敏度检测芳硝基化合物所需的普鲁士蓝类似物与碳共生的复合电极材料的制备方法描述如下。
一、通过将（1）钴盐或钴、铁混合盐，（2）固体有机物，（3）氢氧化钾研磨混合均匀。其中原料中的三类物质符合以下特征。
1、固体有机物和金属盐两类物质的混合物中含有碳、氢、氧、氮四种非金属元素，以及钴或钴、铁金属元素。其中碳、氢、氧元素来自葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、氨基葡萄糖、尿素、三聚氰胺中的一种或是多种。氮元素来自氨基葡萄糖、尿素、三聚氰胺、硝酸钴、硝酸铁中的一种或多种，也就是在金属盐中含有氮元素的条件下，固体有机物可以只含有碳、氢、氧元素。
2、钴盐或钴、铁混合盐，选自硝酸钴、硝酸铁，但如果采用的固体有机物前驱体中已经有氮，可选用无氮的钴盐或钴、铁混合盐代替，包括氯化盐、硫酸盐、醋酸盐等。采用钴、铁混合盐时，钴铁物质的摩尔量的比范围为5:1~1:8。
3、（1）钴盐或钴、铁混合盐，（2）固体有机物和（3）氢氧化钾三类物质的质量比范围为0.1~1: 0.2~2: 1。
二、上述固体混合物，在惰性气氛保护下，于高温下热处理反应一定时间后，自然降温得到热解碳-金属复合材料。其中惰性气体包括氮气或氮气与氩气的混合气体，升温速率范围2~10℃/min，热处理温度范围为700~900℃，热处理时间范围为0.3~3 h。
三、将热解后的碳-金属复合材料用酸洗去金属单质成分，经过滤、纯水洗涤后干燥，得到普鲁士蓝/碳的复合材料。酸洗采用0.2~10 mol/L的盐酸、硫酸或硝酸溶液。
（4）将普鲁士蓝/碳的复合材料经研磨后，与聚合物物按一定比例超声均匀后，然后涂覆于玻碳、导电玻璃或印刷电极基底上作为检测芳硝基化合物的工作电极使用。其中聚合物选自是聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠或Nafion树脂。其中聚合物与复合材料的质量比范围为1:1~1:20。
本发明提供的普鲁士蓝与碳的复合材料的制备方法，与现有方法液相负载方法（CN102175728A，CN105136885A）或电沉积法（Electroanalysis, 2016. 28(6): p. 1340-1347.）相比，其特征在于普鲁士蓝与碳是热解过程共生的，而不是在碳材料上后期负载的普鲁士蓝。此外，碳没有采用商业碳材料（乙炔黑、碳纤维、碳纳米管和石墨烯等），而是通过本专利所述的催化固体有机化合物等三类物质（葡萄糖、氨基葡萄糖、蔗糖、乙二胺四乙酸或三聚氰胺）热解形成的富含官能团的碳复合材料。再者，普鲁士蓝也不是直接加入的普鲁士蓝，也没有采用铁氰酸盐等原料，采用而是热解过程中钴、铁金属盐在高温惰性气氛下，催化碳和氮形成的普鲁士蓝（钴、铁氰化物）。进一步的通过酸洗则有助去除金属态钴、铁及其氧化物，提高普鲁士蓝纯度与表面催化活性。专利CN104556151A报道的普鲁士蓝制备方法与本发明的普鲁士蓝复合物在方法上存在类似之处，但是前者采用植物根茎叶、活性炭或煤原料，本发明采用有机化合物（葡萄糖、氨基葡萄糖、蔗糖、乙二胺四乙酸或三聚氰胺）相比，具备纯度高、成分可控的优点。此外，本发明通过含氮有机物和钴金属盐的加入，有助于提高普鲁士蓝的产率。再者，前者权利要求规定特征温度在900~1100℃，本发明特征温度为700~900℃，具有能耗相对低，普鲁士蓝/碳的复合材料产率高的优点。最后，前者酸洗后的产品为蓝色的普鲁士蓝颗粒沉淀，而本文酸洗后所得到的产品为黑色为主的普鲁士蓝/碳的复合物粉末，本发明中复合材料中包含经过高温石墨化后的碳材料对于高灵敏度电化学检测芳硝基化合物是极其必须的。
本发明提供的普鲁士蓝/碳的复合材料，由于是前驱体一起高温热解得到的普鲁士蓝与碳的共生复合物，因此具备化学稳定性好、接触界面大的优点。此外，由于金属钴、铁能够催化有机物的碳化和石墨化，因此该复合材料具备电子传导能力好的优点。此外，由于普鲁士蓝和碳的共生有助于实现普鲁士蓝的催化作用和碳的吸附富集作用的高效发挥。将此材料应用于电化学检测芳硝基化合物时具备背景低、灵敏度高（＞3 μA ppb-1 cm-2）、检测范围宽（0.1 ~5000 ppb），检测限低至0.03 ppb，稳定性好的优点。
附图说明
图1是本发明一种高灵敏度检测芳硝基化合物的电极材料及其制备方法流程示意图。
其中：1、钴盐或钴、铁混合盐；2、固体有机物；3、氢氧化钾；4、研磨；5、高温热解；6、无机酸；7、酸洗；8、水洗过滤；9、干燥和研磨；10、聚合物粘结剂；11、涂覆； 12、电化学检测。
图2 是本发明制备的普鲁士蓝/碳复合电极材料的XRD谱图表征，其中曲线1代表本文所制备的样品的XRD曲线， 2代表石墨，3代表钴基普鲁士蓝Co3(Co(CN)6)2，4代表铁基普鲁士蓝Fe4(Fe(CN)6)3。
图3 是本发明制备的普鲁士蓝/碳复合电极材料（1）对低至20 ppb的间二硝基苯与商业玻碳电极（2）对 1 ppm的间二硝基苯的电流响应图对比。虚线代表无芳硝基化合物时的电流曲线。
具体实施例
为了更好地说明本发明的技术特征，下面通过具体的实施例进行说明。
实施例1
将氢氧化钾，氨基葡萄糖，硝酸钴和硝酸铁按照质量比1:1:0.2研磨均匀。然后加入到瓷舟中，至于管式炉中。N2气氛下，流速300 mL/min，以5℃/min升温速率升至700℃，然后恒温2 h后，自然降温至室温得到热解后复合碳材料。将热解后所得复合碳材料在6 mol/L的盐酸中酸洗，酸洗3小时后过滤，用纯水洗到中性。然后置于烘箱中120℃下烘干过夜，得到的普鲁士蓝/碳复合材料经研磨后与Nafion树脂按照10:1分散在DMF溶剂中，混合均匀后涂覆在玻碳电极表面。晾干后用于电化学检测芳硝基化合物，如图3所示，本方法所制备的普鲁士蓝/碳复合电极材料对低至20 ppb的间二硝基苯远高于商业玻碳对1 ppm的间二硝基苯的电流响应，普鲁士蓝/碳复合电极材料对间二硝基苯的灵敏度超过5 μA ppb-1 cm-2，相当于商业玻碳材料的380倍，也高于以及文献中报道的灵敏度。
实施例2
将氢氧化钾，葡萄糖，硝酸钴按照质量比1:1:0.15研磨均匀。然后加入到瓷舟中，至于管式炉中。N2气氛下，流速200 mL/min，以5℃/min升温速率升至800℃，然后恒温1h后，自然降温至室温得到热解后复合碳材料。将热解后所得复合碳材料在6 mol/L的盐酸中酸洗，酸洗3小时后过滤，用纯水洗到中性。然后置于烘箱中120℃下烘干过夜，得到的普鲁士蓝/碳复合材料经研磨后与Nafion树脂按照10:1分散在DMF溶剂中，混合均匀后涂覆在玻碳电极表面。晾干后用于电化学检测芳硝基化合物，测试结果表明所制备的普鲁士蓝/碳复合电极材料对三硝基甲苯的灵敏度超过4.2 μA ppb-1 cm-2。

Claims (11)

1.一种高灵敏度检测芳硝基化合物的电极材料的制备方法，其特征在于：通过惰性气氛下的高温热解（1）钴盐或钴、铁混合盐，（2）葡萄糖、果糖、麦芽糖、尿素、蔗糖、氨基葡萄糖或三聚氰胺中的一种或是多种有机物，（3）氢氧化钾三类物质的混合物，然后通过酸洗干燥后获得普鲁士蓝和碳材料共生的复合材料，最后将这种普鲁士蓝/碳复合材料与高分子聚合物混合均匀后作为电化学检测芳硝基化合物的电极活性材料。
2.如权利要求1所述的一种高灵敏度检测芳硝基化合物的电极材料的制备方法，其特征在于所得到普鲁士蓝/碳复合材料中两种组分均是在高温热解过程中产生并共生在一起，没有使用现成的碳材料、普鲁士蓝或任何氰化物原料来制备普鲁士蓝/碳复合材料。
3.如权利要求1所述的一种高灵敏度检测芳硝基化合物电极材料的制备方法，其特征在于：普鲁士蓝成分中含有钴一种金属元素或同时含有钴铁两种金属元素。
4.如权利要求1所述的一种高灵敏度检测芳硝基化合物的电极材料的制备方法，其特征在于：所述的钴盐或钴、铁混合盐，选自硝酸钴、硝酸铁；如果采用的有机物前驱体中已经有氮，采用氯化盐、硫酸盐、醋酸盐、硝酸盐中的一种。
5.如权利要求1所述的一种高灵敏度检测芳硝基化合物的电极材料的制备方法，其特征在于：采用钴、铁混合盐时，钴和铁物质的摩尔量的比范围为5:1~1:8。
6.如权利要求1所述的一种高灵敏度检测芳硝基化合物电极材料的制备方法，其特征在于：原料中有机物和金属盐的混合物中含有碳、氢、氧、氮四种非金属元素，以及钴或钴、铁金属元素；其中碳、氢、氧元素来自葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、氨基葡萄糖、尿素、三聚氰胺中的一种或是多种；其中氮元素来自氨基葡萄糖、尿素、三聚氰胺、硝酸钴、硝酸铁中的一种或多种，也就是在金属盐中含有氮元素的条件下，有机物可以只含有碳、氢、氧元素。
7.如权利要求1~6任一所述的一种高灵敏度检测芳硝基化合物的电极材料的制备方法，其特征在于：（1）钴盐或钴、铁混合盐，（2）有机物，（3）氢氧化钾三类物质的质量比范围为0.1~1: 0.2~2: 1。
8.如权利要求1所述的一种高灵敏度检测芳硝基化合物的电极材料的制备方法，其特征在于：高温热解是在惰性气体保护下进行的，惰性气体包括氮气或氮气与氩气的混合气体。
9.如权利要求1所述的一种高灵敏度检测芳硝基化合物的电极材料的制备方法，其特征在于：高温热解温度范围为700~900℃。
10.如权利要求1所述的一种高灵敏度检测芳硝基化合物的电极材料的制备方法，其特征在于：后续酸洗采用的是浓度为0.2~10 mol/L的盐酸、硫酸或硝酸溶液中的一种。
11.如权利要求1所述的一种高灵敏度检测芳硝基化合物的电极材料的制备方法，其特征在于：与普鲁士蓝/碳的复合材料混合的聚合物选自聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠或Nafion树脂，其中聚合物与普鲁士蓝/碳复合材料的质量比范围为1:1~1:20。
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