CN111531182B - 一种3d碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的制备方法 - Google Patents

一种3d碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的制备方法，具体包括以下步骤：步骤1：制备碳纳米球溶液；然后通过多次生长的方法在碳纳米球周围生长金纳米纤维；步骤2：取碳纳米球溶液，加入水中超声分散，再加入12.5mM氯金酸溶液，进行超声分散，加入10mM硼氢化钠溶液，继续超声分散，然后离心洗涤，得到第一溶液；步骤3：取第一溶液，加入氯金酸溶液，超声分散，加入10mM硼氢化钠溶液，超声分散后离心洗涤，得到第二溶液；步骤4：将第二溶液重复步骤3的操作两次，得到3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构。本发明通过一种对于微小应力应变易变形的三维微纳结构，来提高光电传感器的灵敏度。

Description

一种3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的制备方法
技术领域
本发明属于光电传感技术领域，具体涉及一种3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的制备方法。
背景技术
近几十年来光电传感器的发展过程中，对于柔性电子传感领域而言，柔性电子材料的发展为智能电子传感器的发展奠定了一定的基础。其中，最成熟的柔性电子材料有金属纳米复合材料，如金纳米线(Gong S,Schwalb W,Wang Y,et al.Awearable and highlysensitive pressure sensor with ultrathin gold nanowires[J].Naturecommunications,2014,5(1):1-8.)；碳基纳米复合材料，如石墨烯(Huang T,He P,Wang R,et al.Porous Fibers Composed of Polymer Nanoball Decorated Graphene forWearable and Highly Sensitive Strain Sensors[J].Advanced FunctionalMaterials,2019,29(45):1903732.)，碳纳米管(Roh E,Hwang B U,Kim D,etal.Stretchable,transparent,ultrasensitive,and patchable strain sensor forhuman-machine interfaces comprising a nanohybrid of carbon nanotubes andconductive elastomers[J].ACS nano,2015,9(6):6252-6261.)。但是，这些柔性电子材料都具有完整的导电网络结构，对于微小应力应变很难使导电网络发生改变，致使柔性电子传感器对于微小应力应变时灵敏度降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的制备方法，解决了目前光电传感领域对于微小应力应变时灵敏度很低的问题。
本发明所采用的技术方案是，
一种3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：将聚苯乙烯球进行水热碳化，得到聚苯乙烯球溶液，取聚苯乙烯球溶液15～25ml放入反应釜中，然后将反应釜置入170～190℃的烘箱中反应8～15h，得到碳纳米球溶液；
步骤2：取0.1～1ml步骤1得到的碳纳米球溶液，加入3～5ml水中超声分散，再加入12.5mM的氯金酸溶液0.1～10ml，超声分散1～10min，然后逐滴加入10mM的硼氢化钠溶液0.1～10ml，超声分散10～20min，然后离心洗涤2～5次，得到第一溶液；
步骤3：取2～8ml步骤2得到的第一溶液，加入0.1～8ml的氯金酸溶液，超声分散1～10min，逐滴加入0.1～8ml的硼氢化钠溶液，超声分散10～20min后离心洗涤2～5次，得到第二溶液；
步骤4：将步骤3得到的第二溶液重复步骤3的操作两次，得到3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构。
本发明的特点还在于，
步骤1中，聚苯乙烯球溶液是将苯乙烯进行聚合反应得到的
步骤3中，第一溶液的取量控制为2～6ml。
步骤2和步骤3中，离心洗涤的次数控制为3～4次。
步骤1中，反应釜为25ml的反应釜。
本发明的有益效果是，本发明的这种3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构，对于柔性电子传感领域而言，通过有限元进行应力计算，在这种微纳结构上表面施加2000μN，变形计算结果如图2所示。相比没有碳纳米球复合的金纳米纤维微纳结构而言，变形更加明显。对于智能电子传感器而言，这种结构用作智能传感器的传感元件后，传感器对于微小应力时的灵敏度有了明显的提高。可以更好的解决现如今智传感器在微小应力应变的情况下低灵敏的问题，在智能电子传感领域具有广阔的发展前景。对于光学传感领域，这种维纳结构可以用于SERS传感，更好的实现活性病原菌化学通信媒介分子的高灵敏、特异性原位SERS检测。因此，本发明的微纳结构在光电传感领域有着广阔的发展前景。
附图说明
图1是本发明一种3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的制备方法中碳纳米球@金纳米纤维的三维结构图；
图2是本发明一种3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的制备方法中3D碳纳米球@金纳米纤维结构的应力计算示意图；
图3是本发明一种3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的制备方法的实施例5中，第一次生长后获得第一溶液的扫描电子显微镜图；
图4是本发明一种3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的制备方法的实施例5中，第二次生长后获得第二溶液的扫描电子显微镜图；
图5是本发明一种3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的制备方法的实施例5中，第三次生长获得第三溶液的扫描电子显微镜图；
图6是本发明一种3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的制备方法的实施例5中，第四次生长获得3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的制备方法，具体包括以下步骤：
一种制备3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：制备碳纳米球
将已经制备好的聚苯乙烯球水热碳化，取15～25ml放入25ml的反应釜中置入170～190℃的烘箱中反应8～15h，得到碳纳米球溶液；
步骤2：制备3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构
然后通过多次生长的方法在碳纳米球周围生长金纳米纤维。
第一次生长：取0.1～1ml碳纳米球，加入3～5ml水中超声分散，再加入12.5mM的氯金酸溶液0.1～10ml，超声分散1～10min，然后逐滴加入10mM的硼氢化钠溶液0.1～10ml，超声分散10～20min，然后离心洗涤2～5次；
步骤3：第二次生长：取6ml第一次反应溶液，再加入12.5mM的氯金酸溶液0.1～10ml，超声分散1～10min，然后逐滴加入10mM的硼氢化钠溶液0.1～10ml，超声分散10～20min，然后离心洗涤2～5次；
步骤4：将步骤3得到的第二溶液重复步骤3的操作两次，得到3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构。
重复步骤3的两次操作在以下称为第三次生长和第四次生长。
进一步地，步骤3中，第一溶液的取量控制为2～6ml。
进一步地，步骤2和步骤3中，离心洗涤的次数控制为3～4次。
下面通过具体的实施例对本发明一种制备3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的方法进行详细说明。
重复步骤3的两次操作在实施例中称为第三次生长和第四次生长，实施例中所采用氯金酸溶液和硼氢化钠溶液均为用12.5mM的氯金酸和10mM硼氢化钠溶液。
实施例1
一种制备3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的方法，具体包括以下步骤：
将已经制备好的聚苯乙烯球水热碳化，取20ml放入25ml的反应釜中置入175℃的烘箱中反应9h，得到碳纳米球溶液；
第一次生长：取0.7ml碳纳米球，加入4ml水中超声分散，再加入2ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入2ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次，得到第一溶液；
第二次生长：取3ml第一溶液，再加入1.5ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入1.5ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次，得到第二溶液；
第三次生长：取2ml第二溶液，再加入1ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入1ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次，得到第三溶液，
第四次生长：取1ml第三溶液，再加入0.5ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入0.5ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次；获得3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构。
实施例2
一种制备3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的方法，具体包括以下步骤：
将已经制备好的聚苯乙烯球水热碳化，取20ml放入25ml的反应釜中置入185℃的烘箱中反应9h，得到碳纳米球溶液；
第一次生长：取0.7ml碳纳米球，加入4ml水中超声分散，再加入2ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入2ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次，得到第一溶液；
第二次生长：取3ml第一溶液，再加入1.5ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入1.5ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次，得到第二溶液；
第三次生长：取2ml第二溶液，再加入1ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入1ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次，得到第三溶液，
第四次生长：取1ml第三溶液，再加入0.5ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入0.5ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次；获得3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构。
实施例3
一种制备3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的方法，具体包括以下步骤：
将已经制备好的聚苯乙烯球水热碳化，取20ml放入25ml的反应釜中置入185℃的烘箱中反应12h，得到碳纳米球溶液；
第一次生长：取0.7ml碳纳米球，加入4ml水中超声分散，再加入2ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入2ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次，得到第一溶液；
第二次生长：取3ml第一溶液，再加入1.5ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入1.5ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次，得到第二溶液；
第三次生长：取2ml第二溶液，再加入1ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入1ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次，得到第三溶液，
第四次生长：取1ml第三溶液，再加入0.5ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入0.5ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次；获得3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构。
实施例4
一种制备3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的方法，具体包括以下步骤：
将已经制备好的聚苯乙烯球水热碳化，取20ml放入25ml的反应釜中置入185℃的烘箱中反应12h，得到碳纳米球溶液；
第一次生长：取0.2ml碳纳米球，加入4ml水中超声分散，再加入6ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入6ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤2次，得到第一溶液；
第二次生长：取6ml第一溶液，再加入5ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入5ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次，得到第二溶液；
第三次生长：取4ml第二溶液，再加入4ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入4ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次，得到第三溶液，
第四次生长：取2ml第三溶液，再加入3ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入3ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次；获得3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构。
实施例5
一种制备3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的方法，具体包括以下步骤：
将已经制备好的聚苯乙烯球水热碳化，取20ml放入25ml的反应釜中置入185℃的烘箱中反应12h，得到碳纳米球溶液；
第一次生长：取0.4ml碳纳米球，加入4ml水中超声分散，再加入4ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入4ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤2次，得到第一溶液，如图3所示；
第二次生长：取6ml第一溶液，再加入3ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入5ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次，得到第二溶液，如图4所示；
第三次生长：取4ml第二溶液，再加入2ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入2ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次，得到第三溶液，如图5所示；
第四次生长：取2ml第三溶液，再加入1ml的氯金酸溶液，超声分散5min，然后逐滴加入1ml的硼氢化钠溶液，超声分散15min，然后离心洗涤3次；获得3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构，如图6所示。
本发明一种3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的制备方法，所制备的3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构，如实施例5所制备的3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构，在柔性电子传感领域，这种微纳结构用于智能传感器的传感元件，传感器对于微小应力时的灵敏度有了明显的提高。可以更好的解决现如今智能电子传感器在微小应力应变的情况下低灵敏的问题，在智能电子传感领域具有广阔的发展前景。在光学传感领域，这种微纳结构可以用于SERS传感，更好的实现活性病原菌化学通信媒介分子的高灵敏、特异性原位SERS检测。

Claims (1)

1.一种3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：将聚苯乙烯球进行水热碳化，得到聚苯乙烯球溶液，取聚苯乙烯球溶液15～25ml放入25ml的反应釜中，然后将反应釜置入170～190℃的烘箱中反应8～15h，得到碳纳米球溶液；
所述聚苯乙烯球溶液是将苯乙烯进行聚合反应得到的；
步骤2：取0.1～1ml步骤1得到的所述碳纳米球溶液，加入3～5ml水中超声分散，再加入12.5mM的氯金酸溶液0.1～10ml，超声分散1～10min，然后逐滴加入10mM的硼氢化钠溶液0.1～10ml，超声分散10～20min，然后离心洗涤3～4次，得到第一溶液；
步骤3：取2～6ml步骤2得到的所述的第一溶液，加入0.1～8ml的氯金酸溶液，超声分散1～10min，逐滴加入0.1～8ml的硼氢化钠溶液，超声分散10～20min后离心洗涤3～4次，得到第二溶液；
步骤4：将步骤3得到的所述第二溶液重复步骤3的操作两次，得到所述3D碳纳米球@金纳米纤维微纳结构。
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