CN109626435A - 一种二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维的制备及其应用 - Google Patents

一种二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维的制备及其应用 Download PDF

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Abstract

一种二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维的制备及其应用，涉及一种纳米材料的制备方法及其应用。本发明是要解决现有材料应用于检测左旋多巴和尿酸时灵敏度低和检测限较高的问题。制备方法如下：一、静电纺丝法；二、水热法。一种二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维可以作为电极材料检测左旋多巴和尿酸。本发明主要用于制备一种二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维材料。

Description

一种二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维的制备及其应用
技术领域
本发明涉及一种二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维的制备及应用。
背景技术
碳纳米纤维是一维碳材料，它具有优良的导电性能、力学性能和化学稳定性。目前，碳纳米纤维在储氢材料、储能材料、催化剂载体、电子元件等领域引起了广泛的关注和应用。聚丙烯腈是制备碳纳米纤维的主要前驱体。
二硫化钼（MoS2）是具有类石墨烯结构的层状化合物，它具有可调的能带结构和良好的物理化学性质，如优异的电荷载流迁移率、极高的杨氏模量和较大的比表面积等，MoS2独特的性能使其具有巨大的发展潜力，在析氢反应、传感器、超级电容器及锂离子电池中得到了广泛应用。
帕金森病是由于多巴胺无法穿透血脑屏障进入中枢神经系统造成的，是老年人常见的神经退行性疾病。左旋多巴是多巴胺的前体，它可以通过血脑屏障在酶的作用下转化为多巴胺，它是治疗帕金森病的有效治疗剂。然而，过量摄入左旋多巴是有害的，会引起恶心、食欲减退和运动障碍等副作用。因此，准确的检测左旋多巴浓度是非常重要的。
尿酸是生物体内一种主要嘌呤的代谢产物，尿酸过高是由于人体内嘌呤代谢发生紊乱，会引起痛风，帕金森病和高尿酸血症等疾病，因此在生物检测领域，对尿酸的准确检测具有重要的意义。
传统检测左旋多巴和尿酸的方法主要有可见紫外分光光度法、高效液相色谱法、毛细管电泳法等，但是它们都存在一些问题，如复杂的预处理，昂贵的设备、检测时间较长，检测灵敏度较低等。与传统方法相比，电化学检测具有操作简单，低成本、高灵敏度、精度和快速响应的优点。
发明内容
本发明是要解决现有材料应用于左旋多巴和尿酸检测时灵敏度低和检测限较高的技术问题，从而提供一种二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维的制备方法。
本发明提供的一种二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维的制备方法是按以下步骤进行：
一、静电纺丝法
1）将 1g 聚丙烯腈粉末溶解于 10mL 二甲基甲酰胺溶液，并且在温度为 80℃~150℃的条件下加热搅拌1h~2h，得到静电纺丝溶液。然后，取10mL~20mL上述溶液转移到注射器中，将注射器固定于注射泵上，在电压为10KV~20KV下进行静电纺丝，溶液流速为 1mL/h~3mL/h，收集距离为10cm~15cm；
2）将聚丙烯腈纤维置于鼓风干燥箱中，以 1℃/min ~2℃/min的速度升温到300℃~400℃，保温1 h~2 h 进行稳定化处理；
3）将稳定化处理过后的聚丙烯腈纤维置于管式炉中央，在氩气保护下从室温以5℃/min~10℃/min的速度升温到800℃~1000℃，并在温度800~1000℃的条件下保温 60min~100min，然后随炉冷却到室温，得到碳纳米纤维，步骤一 3）中所述的氩气的流速为300sccm~500sccm；
二、水热法
1）将步骤一3)得到的碳纳米纤维切割成1cm2~3cm2的大小，并用丙酮清洗，然后用去离子水冲洗；
2) 将0.3mmol/L~0.7mmol/L的钼酸钠和2mmol/L~5mmol/L硫脲添加到90mL~100mL的去离子水中，搅拌15min~20min；
3) 将步骤二1）获得的碳纳米纤维和步骤二2）获得的水溶液转移到一个100 mL的反应釜中，并在200℃~240℃下保温20h~24h，冷却到室温，取出材料并用去离子水冲洗几次，并进行真空冷冻干燥1h~3h。最后，在450℃下热处理1~3h，得到二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维。
本发明优点：
1）本发明方法通过静电纺丝制备了碳纳米纤维，并通过水热法在碳纳米纤维上生长二硫化钼纳米片阵列，得到了一种新型的二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维；
2）本发明的新型材料发挥了碳纳米纤维优异的电荷载流迁移率和二硫化钼纳米片高比表面积的协同作用，显著提高了材料的电化学性能，可使得电化学检测左旋多巴的灵敏度显著提高到0.91μA μΜ-1，检测尿酸的灵敏度显著提高到0.73μA μΜ-1。
附图说明
图1是静电纺丝制备的碳纳米纤维的扫描电镜照片；
图2是低倍数二硫化钼纳米片/ 碳纳米纤维的扫描电镜照片；
图3是高倍数二硫化钼纳米片/ 碳纳米纤维的扫描电镜照片；
图 4 是制备的二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维的 X 射线衍射图谱；
图5是试验二得到的不同左旋多巴浓度的差分脉冲伏安图；
图 6是试验二得到的左旋多巴浓度与氧化峰电位的线性拟合图；
图7是试验二得到的不同尿酸浓度的差分脉冲伏安图；
图 8是试验二得到的尿酸浓度与氧化峰电位的线性拟合图。
具体实施方式
具体实施方式一：一种二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维的制备方法是按以下步骤进行的：
一、静电纺丝法
1）将 1g 聚丙烯腈粉末溶解于 10mL 二甲基甲酰胺溶液，并且在温度为 80℃~150℃的条件下加热搅拌1h~2h，得到静电纺丝溶液。然后，取10mL~20mL上述溶液转移到注射器中，将注射器固定于注射泵上，在电压为10KV~20KV下进行静电纺丝，溶液流速为 1mL/h~3mL/h，收集距离为10cm~15cm；
2）将聚丙烯腈纤维置于鼓风干燥箱中，以 1℃/min~2℃/min的速度升温到300℃~400℃，保温1 h~2 h 进行稳定化处理；
3）将稳定化处理过后的聚丙烯腈纤维置于管式炉中央，在氩气保护下从室温以5℃/min~10℃/min的速度升温到800℃~1000℃，并在温度800~1000℃的条件下保温 60min~100min，然后随炉冷却到室温，得到碳纳米纤维，步骤一 3）中所述的氩气的流速为300sccm~500sccm；
二、水热法
1）将步骤一3)得到的碳纳米纤维切割成1cm2~3cm2的大小，并用丙酮清洗，然后用去离子水冲洗；
2) 将0.3mmol/L~0.7mmol/L的钼酸钠和2mmol/L~5mmol/L硫脲添加到90mL~100mL的去离子水中，搅拌15min~20min；
3) 将步骤二1）获得的碳纳米纤维和步骤二2）获得的水溶液转移到一个100 mL的反应釜中，并在200℃~240℃下保温20h~24h，冷却到室温，取出材料并用去离子水冲洗几次，并进行真空冷冻干燥1h~3h。最后，在450℃下热处理1h，得到二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维。
具体实施方式二 ：本实施方式与具体实施方式一不同的是 ：步骤一 1)中将 1g聚丙烯腈粉末溶解于 10mL 二甲基甲酰胺溶液,并且在温度为 100℃~110℃ 的条件下加热搅拌1h~1.5h，得到静电纺丝溶液,将该溶液转移到10mL的注射器 中，再将注射器固定在注射泵上,控制静电纺丝电压为 15KV~20KV，接收装置到纺丝针头的 距离为 10cm，溶液流速为 1mL/h~2mL/h，于静电纺丝装置中进行静电纺丝得到聚丙烯腈纤维。
具体实施方式三 ：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是 ：步骤一 2）中将聚丙烯腈纤维置于鼓风干燥箱中，以 1℃/min 的速度升温到300℃ ~320℃，保温 1h~1.5h 进行稳定化处理。
具体实施方式四 ：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是 ：步骤一 3）中将步骤 2）稳定化处理过后的聚丙烯腈纤维置于管式炉管中央，在氩气保护下从室温以5℃/min~7℃/min 的速度升温到 850℃~900℃，并在温度850℃ ~900℃的条件下保温60min~80min，然后随炉冷却到室温，得到碳纳米纤维，步骤一1）中所述的氩气的流速为400sccm。
具体实施方式五 ：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是 ：步骤二1）中将步骤一3)得到的碳纳米纤维切割成1cm2~2cm2的大小，并用丙酮清洗，然后用去离子水冲洗。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是 ：将步骤二2）0.5mmol/L~0.7mmol/L的钼酸钠和2mmol/L~4mmol/L硫脲添加到90mL~95 mL的去离子水中，搅拌15min~17min。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是 ：将步骤二3）步骤二1）获得的碳纳米纤维和步骤二2）获得的水溶液转移到一个100mL的反应釜中，并在200℃~220℃下保温22 h~24h，冷却到室温，取出材料并用去离子水冲洗几次，并进行真空冷冻干燥2h~3h。最后，在450℃下热处理1~3h，得到二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维。
采用下述试验验证本发明效果 ：
试验一 ：本试验的一种二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维的制备方法是按以下方法实现 ：
一、静电纺丝法
1）将 1g 聚丙烯腈粉末溶解于10mL 二甲基甲酰胺溶液，并且在温度为100℃的条件下加热搅拌1 h，得到静电纺丝溶液。然后，取10mL上述溶液转移到注射器中，将注射器固定于注射泵上，在电压为 20 KV下进行静电纺丝，溶液流速为 1mL/h，收集距离为10cm；
2）将聚丙烯腈纤维置于鼓风干燥箱中，以1℃/min的速度升温到300℃，保温1h 进行稳定化处理；
3）将稳定化处理过后的聚丙烯腈纤维置于管式炉中央，在氩气保护下从室温以5℃/min的速度升温到900℃，并在温度900℃的条件下保温 60min，然后随炉冷却到室温，得到碳纳米纤维，步骤一 3）中所述的氩气的流速为400sccm；
二、水热法
1）将步骤一3)得到的碳纳米纤维切割成2cm2的大小，并用丙酮清洗，然后用去离子水冲洗；
2) 将0.6mmol/L的钼酸钠和3mmol/L硫脲添加到90mL的去离子水中，搅拌15min；
3)将步骤二1）获得的碳纳米纤维和步骤二2）获得的水溶液转移到一个100mL的反应釜中，并在220 ℃下保温24 h，冷却到室温，取出材料并用去离子水冲洗几次，并进行真空冷冻干燥2h。最后，在450℃下热处理1h，得到二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维。
试验二：二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维作为工作电极的检测试验，具体操作如下 ：
将二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维连同 ITO 玻璃作为工作电极，有效的材料面积为0.7cm2 ，银 / 氯化银作为参比电极，铂丝作为对电极，采用传统三电极系统通过脉冲伏安方法测试，电位增加 50mV，脉冲高度 4mV，扫描速率 8mV/s，从而获得该材料对不同浓度左旋多巴和尿酸的电流响应 ；所述的二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维是试验一制备的。
图1是静电纺丝制备的碳纳米纤维的扫描电镜照片。从图中可以看出，碳纳米纤维表面滑光直径分布均匀，直径为～200nm。
图2是低倍数二硫化钼纳米片/ 碳纳米纤维的扫描电镜照片。从图中可以看出，弯曲的二硫化钼纳米片密集的排列在碳纳米纤维上。
图3是高倍数二硫化钼纳米片/碳纳米纤维的扫描电镜照片。从图中可以看出，弯曲的二硫化钼纳米片相互交联在一起，并垂直生长在碳纳米纤维上。
图 4 是制备的二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维的 X 射线衍射图谱。●碳纳米纤维的衍射峰，22.6°处的衍射峰对应于石墨结构的（002）晶面。◆二硫化钼的衍射峰，所有衍射峰与二硫化钼的特征峰对应。表明该复合材料是由二硫化钼和碳纳米纤维组成。
图5是试验二得到的不同左旋多巴浓度的差分脉冲伏安图。随着左旋多巴浓度不断增加，氧化峰电流明显增加。
图 6是试验二得到的左旋多巴浓度与氧化峰电位的线性拟合图。在左旋多巴浓度范围0~60µM，检测左旋多巴的灵敏度为0.91μA μM-1。
图7是试验二得到的不同尿酸浓度的差分脉冲伏安图。随着尿酸浓度不断增加，氧化峰电流明显增加。
图 8是试验二得到的尿酸浓度与氧化峰电位的线性拟合图。在尿酸浓度范围0~60µM，检测尿酸的灵敏度为0.73μA μM-1。

Claims (2)

1.一种二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维的制备及其应用，其特征在于二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维的制备方法是按以下步骤进行的：
一、静电纺丝法
1）将1g聚丙烯腈粉末溶解于10mL二甲基甲酰胺溶液，并且在温度为 80℃~150℃的条件下加热搅拌1h~2h，得到静电纺丝溶液；然后，取10mL~20mL上述溶液转移到注射器中，将注射器固定于注射泵上，在电压为10KV~20KV下进行静电纺丝，溶液流速为1mL/h~3mL/h，收集距离为10cm~15cm；
2）将聚丙烯腈纤维置于鼓风干燥箱中，以1℃/min~2℃/min的速度升温到300℃~400℃，保温1h~2h进行稳定化处理；
3）将稳定化处理过后的聚丙烯腈纤维置于管式炉中央，在氩气保护下从室温以5℃/min~10℃/min的速度升温到800℃~1000℃，并在温度800~1000℃的条件下保温 60min~100min，然后随炉冷却到室温，得到碳纳米纤维，步骤一 3）中所述的氩气的流速为300sccm~500sccm；
二、水热法
1）将步骤一3)得到的碳纳米纤维切割成1cm2~3cm2的大小，并用丙酮清洗，然后用去离子水冲洗；
2) 将0.3mmol/L~0.7mmol/L的钼酸钠和2mmol/L~5mmol/L硫脲添加到90mL~100mL的去离子水中，搅拌15min~20min；
3) 将步骤二1）获得的碳纳米纤维和步骤二2）获得的水溶液转移到一个100mL的反应釜中，并在200℃~240℃下保温20h~24h，冷却到室温，取出材料并用去离子水冲洗几次，并进行真空冷冻干燥1h~3h；最后，在450℃下热处理1~3h，得到二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维复合材料。
2.一种二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维的制备及应用，其特征在于二硫化钼纳米片阵列/碳纳米纤维作为生物传感器的工作电极检测左旋多巴和尿酸。
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