CN111573657A - 一种石墨烯水凝胶制备方法及应用 - Google Patents

一种石墨烯水凝胶制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本申请属于电化学检测技术领域,特别是涉及一种石墨烯水凝胶制备方法及应用。目前传统重金属离子检测方案存在价格昂贵,操作复杂等缺点。本申请提供了一种石墨烯水凝胶制备方法,包括将氧化石墨烯溶解于蒸馏水,室温下搅拌使其充分溶解;加入抗坏血酸,并继续在室温下搅拌超声分散;将多巴胺固体样品溶解于三羟甲基氨基甲烷溶液中震荡,得到缓冲溶液;将缓冲溶液倒入,室温下搅拌并超声分散,并对容器进行密封;将所述容器放入恒温箱中保温处理;对溶液进行过滤后蒸掉凝胶中的水分,得到石墨烯水凝胶。原料普通易得,对环境友好,成本低廉,制备条件温和、安全,能耗相对较低,以及制备时间短。

Description

一种石墨烯水凝胶制备方法及应用
技术领域
本申请属于电化学检测技术领域,特别是涉及一种石墨烯水凝胶制备方法及应用。
背景技术
氧化石墨烯(GO)具有较大的比表面积,层间含有大量的羟基和羧基酸性活性基团,而多羧基、富含氧官能团的结构能有效吸附重金属离子。然而,氧化石墨烯大多未加修饰改性直接作为吸附剂,其片状结构容易堆积团聚,这使其降低吸附效率,很大程度上限制了吸附方面的应用。石墨烯凝胶将氧化石墨烯组装成宏观的三维介孔材料,在一定程度上阻止了氧化石墨烯堆积,为其吸附方面的应用提供了可能性。
多巴胺(DA)是一种含有邻苯二酚和氨基官能团的独特模仿黏附蛋白分子,由于含有的这些官能团可以与金属离子很好的结合,因此在重金属离子的去除方面有较好的应用。
随着现代工业的快速发展,由重金属离子造成的污染越来越严重。铜作为重金属元素之一,在许多生命过程中都是不可或缺的。然而,与其他重金属元素一样铜离子可以通过食物和饮水在生物体内富集不易降解。日积月累,就会对人体或环境带来及其严重的危害。目前传统重金属离子检测方案存在价格昂贵,操作复杂等缺点。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于目前传统重金属离子检测方案存在价格昂贵,操作复杂等缺点的问题,本申请提供了一种石墨烯水凝胶制备方法及应用。
2.技术方案
为了达到上述的目的,本申请提供了一种石墨烯水凝胶制备方法,所述方法包括如下步骤:
步骤1):将氧化石墨烯溶解于蒸馏水,室温下搅拌5~10分钟使其充分溶解,得到均匀的混合溶液;
步骤2):在所述混合溶液中加入抗坏血酸,并继续在室温下搅拌5~10分钟,超声分散5~10分钟,得到还原氧化石墨烯溶液;
步骤3):将多巴胺固体样品溶解于三羟甲基氨基甲烷溶液中震荡,得到缓冲溶液;
步骤4):将所述缓冲溶液倒入所述还原氧化石墨烯溶液中,室温下搅拌5~10分钟并超声分散5~10分钟,并对容器进行密封;
步骤5):将所述容器放入恒温箱中在75~80℃保温处理8~10小时;
步骤6):对步骤5)中的溶液进行过滤后蒸掉凝胶中的水分,得到石墨烯水凝胶。
本申请提供的另一种实施方式为:所述步骤1)中所述氧化石墨烯采用Hummers法制得。
本申请提供的另一种实施方式为:所述步骤1)中所述氧化石墨烯与所述蒸馏水的质量体积比为(2~2.5):1。
本申请提供的另一种实施方式为:所述步骤2)中所述抗坏血酸与所述氧化石墨烯的质量比为(4~5):1。
本申请提供的另一种实施方式为:所述步骤3)中所述三羟甲基氨基甲烷溶液浓度为0.1mol/L。
本申请提供的另一种实施方式为:所述步骤3)中所述多巴胺与所述缓冲溶液的质量体积比为2:1;所述蒸馏水与所述缓冲溶液的体积比为5:1。
本申请提供的另一种实施方式为:所述步骤5)中所述恒温箱为鼓风干燥箱。
本申请还提供一种石墨烯水凝胶的应用,所述石墨烯水凝胶用于线性伏安法检测硫酸铜溶液中的痕量铜离子。
本申请提供的另一种实施方式为:将所述石墨烯水凝胶涂抹于铂碳电极上,放在恒温箱中蒸去多余水分,使石墨烯凝胶能吸附在铂碳电极上而不脱落,形成已修饰的铂碳电极。
本申请提供的另一种实施方式为:所述硫酸铜溶液中铜离子浓度应大于或等于10-4mol/L。
本申请提供的另一种实施方式为:石墨烯水凝胶的应用具体方法操作如下:
(1)采用型号为CHI760E的电化学工作站和与之配套的PC端和软件;
(2)采用三电极系统,工作电极为已修饰的铂碳电极,对电极为铂电极,参比电极为甘汞电极;
(3)将电极缓慢插入硫酸铜溶液中;
(4)将电化学工作站工作模式为线性溶出伏安法(LSV),软件参数设置为初始电压为-1.5V,终止电压为0.4V,扫描速率为0.01V/s、扫描间隔为0.001V、静止时间为200sec、灵敏度为0.01A/V。
3.有益效果
与现有技术相比,本申请提供的一种石墨烯水凝胶制备方法的有益效果在于:
本申请提供的石墨烯水凝胶制备方法,采用石墨烯水凝胶的制备方法,主要以Hummers法合成的氧化石墨烯为原料,以抗坏血酸为还原剂,经多巴胺修饰,常压下即可制备出新型石墨烯水凝胶。
本申请提供的石墨烯水凝胶制备方法,原料普通易得,对环境友好,成本低廉,制备条件温和、安全,能耗相对较低,以及制备时间短。
本申请提供的石墨烯水凝胶制备方法,制得的新型石墨烯水凝胶,呈现三维网状结构并且具有多孔结构。
本申请提供的石墨烯水凝胶制备方法,制得的新型石墨烯水凝胶具有良好的导电性。
本申请提供的石墨烯水凝胶制备方法,制得的新型石墨烯水凝胶与普通的石墨烯水凝胶相比具有更多的附着位点和反应接触面。
本申请提供的石墨烯水凝胶制备方法,对重金属离子有更强的吸附作用。
本申请提供的石墨烯水凝胶的应用,为一种简便,快速,灵敏的富集与痕量分析的方法。
附图说明
图1是本申请的石墨烯水凝胶示意图;
图2是本申请的石墨烯水凝胶修饰在工作电极上的示意图;
图3是本申请的石墨烯水凝胶修饰的电极与未经修饰的电极对不同浓度铜离子的线性伏安响应图。
具体实施方式
在下文中,将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述,依照这些详细的描述,所属领域技术人员能够清楚地理解本申请,并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下,各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式,或者替代某些实施例中的某些特征,获得其它优选的实施方式。
参考图1~3,本申请提供一种石墨烯水凝胶的制备方法,包括如下步骤:
步骤1):将氧化石墨烯溶解于蒸馏水,搅拌使其充分溶解,得到均匀的混合溶液;
步骤2):在步骤(1)的混合液中加入抗坏血酸,并继续搅拌,超声,得到还原氧化石墨烯溶液;
步骤3):将多巴胺固体样品溶解于缓冲试剂中震荡,得到缓冲溶液;
步骤4):将上述还原氧化石墨烯溶液和缓冲溶液混合,搅拌并超声分散,密封,放入恒温箱反应,后处理得到石墨烯水凝胶。
进一步地,氧化石墨烯为采用Hummers法制备的氧化石墨烯。
进一步地,搅拌条件均为5~10min,超声时间为5~10min。
进一步地,缓冲试剂为溶液总量的15%~20%,所述的缓冲试剂为0.1mol/L三羟甲基氨基甲烷。
进一步地,保温处理为将溶液密封放入80℃恒温箱反应8h。
进一步地,步骤(4)中的后处理为滤去多余溶液,蒸掉多余水分,并用蒸馏水洗涤3~5次。
另一方面,本申请专利制备方法制备的石墨烯水凝胶,可以用于辅助检测痕量铜离子的存在,增加传统方法的检测极限具体实施方法为:
(1)取少部分新型石墨烯水凝胶,将其涂抹于工作电极上,放在恒温箱中蒸去多余水分。
(2)组装三电极系统,连接电化学工作站,将三电极系统插入硫酸铜溶液中。
(3)调整电化学工作站工作模式,设置参数,开始运行。
进一步地,步骤(1)中蒸去多余水分,使石墨烯凝胶能吸附在铂碳电极上而不脱落。
进一步地,三电极系统为工作电极铂碳电极,对电极为铂电极,参比电极为甘汞电极。
进一步地,电化学工作站型号为CHI760E。
进一步地,硫酸铜溶液中铜离子浓度应大于或等于10-4mol/L。
进一步地,电化学工作站的工作模式为线性溶出伏安法(LSV),参数为初始电压为-1.5V,终止电压为0.4V,扫描速率为0.01V/s、扫描间隔为0.001V、静止时间为200sec、灵敏度为0.01A/V。
实施例1
S11称取Hummers法制备的氧化石墨烯0.06g置于容器中;
S12将25ml蒸馏水倒入S11容器内,搅拌10min使其充分溶解;
S13将0.3g抗坏血酸倒入S12容器内搅拌5min后,超声5min;
S14将20mg巴胺固体样品溶解于5ml 0.1mol/L的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中震荡1min;
S15将S14中的溶液倒入S13容器内,搅拌5min,超声5min;
S16将S15的容器用保鲜膜封口,放入80℃恒温箱反应8h,取出凝胶,蒸掉凝胶多余水分。
实施例2
将本申请专利的石墨烯水凝胶的制备方法制得的石墨烯水凝胶用于线性溶出伏安法检验铜离子,包括如下步骤:
步骤1:取少部分新型石墨烯水凝胶,将其涂抹于铂碳电极上,放在恒温箱中蒸去多余水分,使石墨烯凝胶能吸附在铂碳电极上而不脱落。
步骤2:组装工作电极为铂碳电极,对电极为铂电极,参比电极为甘汞电极的三电极系统,连接电化学工作站CHI760E。
步骤3:将三电极系统插入10-3mol/L的硫酸铜溶液中。
步骤4:将电化学工作站工作模式设为线性溶出伏安法(LSV),设置参数为:初始电压-1.5V,终止电压0.4V,扫描速率0.01V/s、扫描间隔0.001V、静止时间200sec、灵敏度0.01A/V。步骤5:开始运行。
示意性地,取实施例1制备出的新型石墨烯凝胶用于实施例2。图3为在不同浓度的硫酸铜溶液下,新型石墨烯水凝胶修饰的电极与未经修饰的电极对不同浓度铜离子的线性伏安响应图。其中铜离子浓度分别是(a)10-2mol/L;(b)5·10-3mol/L;(c)10-3mol/L;(d)7.5·10-4mol/L;(e)5·10-4mol/L(f)10-4mol/L。由图可知,溶出峰在-0.5V左右。在浓度大于等于10-3mol/L的时,新型石墨烯凝胶修饰的电极对Cu2+的溶出峰电流明显高于未修饰的,溶出峰电流最高增加14.7%,即使在铜离子浓度小于10-3mol/L而大于10-4mol/L时,经过新型石墨烯凝胶修饰的电极存在明显的溶出峰,而未经修饰的铂碳电极已经无明显溶出峰。因此,石墨烯凝胶修饰铂碳电极可以提高对重金属离子的检测极限,可以应用于痕量重金属离子的检测。
综上所述,本申请新型的新型石墨烯水凝胶的制备方法,原料普通易得、相对环境更友好、成本低廉、制备条件温和、安全,采用本方法制备的新型石墨烯水凝胶作为检测痕量铜离子的辅助材料可以有效的增加检测极限。
图3中溶液中铜离子浓度分别为:(a)10-2mol/L;(b)5·10-3mol/L;(c)10-3mol/L;(d)7.5·10-4mol/L;(e)5·10-4mol/L;(f)10-4mol/L。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述,但是所属领域技术人员应当理解,在本申请公开的原理和范围内,可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定,并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (10)

1.一种石墨烯水凝胶制备方法,其特征在于:所述方法包括如下步骤:
步骤1):将氧化石墨烯溶解于蒸馏水,室温下搅拌使其充分溶解,得到均匀的混合溶液;
步骤2):在所述混合溶液中加入抗坏血酸,并继续在室温下搅拌,超声分散,得到还原氧化石墨烯溶液;
步骤3):将多巴胺固体样品溶解于三羟甲基氨基甲烷溶液中震荡,得到缓冲溶液;
步骤4):将所述缓冲溶液倒入所述还原氧化石墨烯溶液中,室温下搅拌并超声分散后,对容器进行密封;
步骤5):将所述容器放入恒温箱中保温处理;
步骤6):对步骤5)中的溶液进行过滤后蒸掉凝胶中的水分,得到石墨烯水凝胶。
2.如权利要求1所述的石墨烯水凝胶制备方法,其特征在于:所述步骤1)中所述氧化石墨烯采用Hummers法制得。
3.如权利要求1所述的石墨烯水凝胶制备方法,其特征在于:所述步骤1)中所述氧化石墨烯与所述蒸馏水的质量体积比为(2~2.5):1。
4.如权利要求1所述的石墨烯水凝胶制备方法,其特征在于:所述步骤2)中所述抗坏血酸与所述氧化石墨烯的质量比为(4~5):1。
5.如权利要求1所述的石墨烯水凝胶制备方法,其特征在于:所述步骤3)中所述三羟甲基氨基甲烷溶液浓度为0.1mol/L。
6.如权利要求1所述的石墨烯水凝胶制备方法,其特征在于:所述步骤3)中所述多巴胺与所述缓冲溶液的质量体积比为2:1;所述蒸馏水与所述缓冲溶液的体积比为5:1。
7.如权利要求1所述的石墨烯水凝胶制备方法,其特征在于:所述步骤5)中所述恒温箱为鼓风干燥箱。
8.一种石墨烯水凝胶的应用,其特征在于:所述石墨烯水凝胶用于线性伏安法检测硫酸铜溶液中的痕量铜离子。
9.如权利要求8所述的石墨烯水凝胶的应用,其特征在于:将所述石墨烯水凝胶涂抹于铂碳电极上,放在恒温箱中蒸去多余水分,使石墨烯凝胶能吸附在铂碳电极上而不脱落,形成已修饰的铂碳电极。
10.如权利要求8所述的石墨烯水凝胶的应用,其特征在于:所述硫酸铜溶液中铜离子浓度应大于或等于10-4mol/L。
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