CN113786853A - 单原子催化剂及其制备方法和微电极及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单原子催化剂，包括石墨相氮化碳作为载体，以及负载于载体上的铜单原子作为活性组分；其中，所述活性组分在所述单原子催化剂中的原子百分含量为0.07‑0.2％；所述石墨相氮化碳为mpg‑C3N4。本发明还涉及一种微电极，包括电极、涂覆在电极表面的复合物层以及用于覆盖所述复合物层的聚合物层，其中，所述复合物层包含所述单原子催化剂或者所述单原子催化剂和碳材料的混合。本发明的单原子催化剂比表面积较大，活性组分含量较低，对过氧化氢的选择性高，稳定性好。本发明的微电极采用具有高选择性的单原子催化剂作为电催化剂，在该电极上实现了过氧化氢的精确检测，同时不受氧气及脑内其他多数物质的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及材料及电分析化学领域，具体涉及一种单原子催化剂及其制备方法、包含其的微电极及其制备方法和应用。
背景技术
在脑神经化学中，H2O2作为一种活性氧物种(ROS)，通常被认为是一种潜在的毒素，因为它可以在一定的条件下转化为高活性的·OH自由基，从而破坏蛋白质、DNA、脂质等结构。此外，过氧化氢作为一种神经调质在信号转导中也起着重要作用，在脑细胞功能研究中也受到越来越多的关注。因此，高时空分辨的体内过氧化氢监测在生理和病理研究中都具有重要意义。虽然目前有很多电化学技术通过电催化过氧化氢还原(HPRR)可以实现对过氧化氢的检测，然而过氧化氢的活体分析仍然存在很多问题。例如，以Pt为代表的传统电催化剂经常受到O2等物质干扰，从而导致该催化剂对过氧化氢的选择性不高。
因此，急需开发一种具有高选择性的催化剂以满足活体原位检测过氧化氢浓度的需求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种单原子催化剂，该催化剂对过氧化氢具有高的选择性。
本发明的第二个目的是提供上述单原子催化剂的制备方法。
本发明的第三个目的是提供一种包含上述单原子催化剂的微电极。该微电极能够定量测定体内/体外过氧化氢浓度，尤其是原位检测脑内过氧化氢的浓度，而不受氧气及脑内其他多数物质的干扰。该微电极检测的稳定性高，重复性好，应用前景较好。
本发明的第四个目的是提供上述微电极的制备方法。
为实现以上目的，本发明提供如下技术方案。
一种单原子催化剂，包括石墨相氮化碳作为载体，以及负载于载体上的铜单原子作为活性组分；
其中，所述活性组分在所述单原子催化剂中的原子百分含量为0.07-0.2％；
所述石墨相氮化碳为mpg-C3N4。
优选地，所述活性组分在所述单原子催化剂中的原子百分含量为0.1-0.2％。
上述单原子催化剂的制备方法，包括
制备石墨相氮化碳分散液；所述石墨相氮化碳为mpg-C3N4；
将铜盐溶液加入所述分散液中，搅拌后分离、干燥，制得催化剂前体；以及
将所述催化剂前体在H2和惰性气体的混合气氛中焙烧或者在H2气氛中焙烧，冷却后制得单原子催化剂。
优选地，所述mpg-C3N4可通过如下方法制得：将前驱体与二氧化硅胶体混合均匀，除去溶剂后焙烧、研磨，并将所得粉末置于刻蚀液中刻蚀，分离、洗涤、干燥后得到mpg-C3N4。所述前驱体可包括以下任意一种或多种：氰胺、双氰胺、三聚氰胺和尿素。优选地，可通过蒸干方式除去溶剂。焙烧步骤可包括在一定气氛下以2～5℃/min的升温速率升至500～650℃煅烧2～6h，所述气氛优选包括以下任意一种：空气、氮气、氩气、氦气。所述刻蚀液可包括以下任意一种：氢氟酸、氟化氢铵(NH4HF2)溶液、氢氧化钠溶液和氢氧化钾溶液。优选地，刻蚀时间可为8～48h。分离可通过离心、过滤等常规分离手段进行。
优选地，制备所述石墨相氮化碳分散液的步骤包括将石墨相氮化碳加入溶剂中分散均匀。可采用超声波、机械搅拌或其结合进行分散。所述溶剂可为水、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、乙腈、二甲基甲酰胺、二甲亚砜中的一种或几种组合。所述石墨相氮化碳分散液的浓度可为1-10mg/mL。
优选地，所述铜盐包括以下任意一种或多种：硝酸盐、亚硝酸盐、乙酸盐、硫酸盐、氯盐和溴盐。所述铜盐溶液的浓度可为1-25mg/mL。
优选地，在制备所述催化剂前体的步骤中，搅拌时间可为12～24小时。分离可通过离心、过滤等常规分离手段进行。优选使用水和乙醇进行洗涤。干燥温度可为60-100℃，可在真空气氛中进行干燥，干燥时间6h以上。
优选地，在焙烧所述催化剂前体的步骤中，优选将所述催化剂前体在H2和惰性气体的混合气氛中焙烧，所述混合气氛可以是氩气、氦气和氮气中任意一种与H2的混合物，所述混合气氛中H2的含量优选为5-10体积％。焙烧温度300-450℃，焙烧时间为1-5h。优选地，焙烧所述催化剂前体的步骤包括：将所述催化剂前体在H2和惰性气体的混合气氛中以2-5℃/min的升温速率升至300-400℃，保持2小时。
本发明还提供一种微电极，包括电极、涂覆在电极表面的复合物层以及用于覆盖所述复合物层的聚合物层，其中，所述复合物层包含上述单原子催化剂或者上述单原子催化剂与碳材料的混合。
优选地，所述碳材料可以为碳纳米管(CNT)、石墨烯、氮掺杂石墨烯及其他导电碳材料，所述单原子催化剂和所述碳材料的质量比为(0.5-5):1。所述聚合物层优选为全氟磺酸树脂。
优选地，所述电极为碳纤维电极、铂微电极或金微电极。
另外，本发明还提供上述微电极的制备方法，包括：
将单原子催化剂和任选的碳材料分散于溶剂中，得到分散液；
用所述分散液涂覆电极尖端，之后干燥；以及
将干燥后的电极尖端浸入聚合物溶液中，取出干燥后制得微电极。
优选地，在制备所述分散液的步骤中，可采用超声波、机械搅拌或其结合进行分散。所述溶剂为常规溶剂，包括但不限于水、乙醇、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜。优选地，所述分散液中所述单原子催化剂的浓度可为0.5-5mg/mL。在所述分散液中存在碳纳米管的情况下，所述碳纳米管的浓度可为0.5-5mg/mL。
优选地，所述聚合物溶液为全氟磺酸树脂溶液。
上述微电极或通过上述方法制备的微电极可用于测定过氧化氢浓度、特别是脑内的过氧化氢浓度。
本发明所取得的有益效果：
1、本发明的单原子催化剂比表面积较大，活性组分含量较低，且活性组分分布在催化剂表面，有利于催化活性位点的暴露，有利于溶液、反应物及产物的传质，进而提高催化性能。本发明的单原子催化剂对过氧化氢的选择性高，稳定性好。
2、本发明的单原子催化剂的制备方法操作简单，易于实施，适合大规模工业化生产。
3、本发明的微电极采用具有高选择性的单原子催化剂作为电催化剂，在该电极上实现了过氧化氢的精确检测，同时不受氧气及脑内其他多数物质的干扰。
该微电极采用具有高稳定性的单原子催化剂材料作为电催化剂，利用该电极的长时间稳定性，实现了耐受性过氧化氢传感器的构建。
该微电极通过将具有高导电性的碳纳米管与单原子催化剂混合均匀后，再涂覆在碳纤维电极上，提高了电极材料的导电性及催化剂材料的分散性，提高了电极响应电流和对过氧化氢检测的灵敏度。
该微电极能够定量测定体内/体外过氧化氢浓度，尤其是原位检测脑内过氧化氢的浓度，稳定性高，重复性好。该微电极从化学设计上解决了过氧化氢电极易受氧气及其他物质干扰、稳定性差等问题，有望成为一种既简便又精准的测定过氧化氢的微传感器，对研究脑内过氧化氢浓度变化及其相关的生理、病理过程有重要意义，在脑神经化学研究领域具有广泛的应用前景。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例1的单原子催化剂Cu1/mpg-C3N4的扫描电子显微镜(SEM)图；
图2为本发明实施例1的单原子催化剂Cu1/mpg-C3N4的透射电子显微镜(TEM)图；
图3A为本发明实施例1的碳纤维电极的扫描电镜图；
图3B为本发明实施例1的经单原子催化剂及碳纳米管修饰后的碳纤维电极的扫描电镜图；
图4A为本发明实施例2的过氧化氢微电极对过氧化氢选择性实验的电流-时间曲线；
图4B为本发明实施例2的过氧化氢微电极对过氧化氢选择性实验的电流响应柱状图；
图5为本发明实施例2的过氧化氢微电极对过氧化氢长时间响应的电流-时间曲线；
图6A为本发明实施例2的过氧化氢微电极脑内原位检测外源性过氧化氢的结果；
图6B为本发明实施例2的过氧化氢微电极脑内原位检测经药物动态调控后体内过氧化氢水平的结果。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施例对本发明所述的技术方案做进一步说明，但本发明不仅限于此。本文未记载的试剂、仪器或操作步骤均是本领域普通技术人员可常规确定的内容。
实施例1
单原子催化剂Cu1/mpg-C3N4的制备：
将氰胺(5g)和
AS-40二氧化硅胶体(12.5g)混合在一起，搅拌至悬浊液变透明。将混合物在100℃下加热数小时，直到水蒸发完全并形成白色固体。然后将白色固体研磨成粉末，转移到坩埚中，在空气中以2.3℃/min的升温速率升至550℃，然后在550℃下处理4h。降温后向所得黄色粉末加入4mol/L NH4HF2溶液并搅拌2天。然后离心，用蒸馏水和乙醇洗涤沉淀。离心后的黄色化合物在120℃下真空干燥过夜得到mpg-C3N4。
将Cu(NO3)2溶液(10mg/mL)加入mpg-C3N4分散液(4mg/mL)中，搅拌约24小时，离心得到Cu(NO3)2/mpg-C3N4。然后用水和乙醇洗涤沉淀数次，最后在70℃下真空干燥。将制备好的粉末转移到瓷舟中，并将瓷舟置于管式炉，然后在流动的5％H2/Ar气氛中，以3℃/min的升温速率升至400℃，保持2小时，自然降温，得到单原子催化剂Cu1/mpg-C3N4，其形貌特征如图1和2所示。所得单原子催化剂为无定型状态。通过氮气吸脱附实验测定所得单原子催化剂的BET比表面积为117.3434m2/g。通过X射线光电子能谱测定所得单原子催化剂中的铜单原子的原子百分含量为0.135±0.037％。
碳纤维电极的制备：
将玻璃毛细管(外径1.5mm，长度100mm)放在微电极拉拔器(WD-1，中国四川成都仪器厂)上拉制成尖端直径为30～50μm的两根玻璃毛细管。将一根碳纤维连接到铜线上，并将铜线插入一根拉好的玻璃毛细管中，用1:1的环氧树脂和乙二胺将含碳纤维及铜丝的毛细管封装起来，在100℃下干燥2小时。使用前，在显微镜下将暴露的碳纤维切到200～500μm。然后对电极进行电化学处理，首先将制备的碳纤维电极浸入0.5M H2SO4溶液中，在+2.0V下安培法处理30秒，在-1.0V下安培法处理10秒，然后在0至1.0V进行循环伏安处理，扫描速率为0.1V/s，直到得到稳定的循环伏安图。上述处理均在三电极体系中进行，工作电极为所制碳纤维电极，参比电极为Ag/AgCl电极，对电极为铂丝电极。所得碳纤维电极的扫描电镜图如图3A所示。
过氧化氢微电极的制备：
首先配置1mg/mL的Cu1/mpg-C3N4和CNT分散液，超声至其均匀分散。取等体积的两种分散液混合，超声至均匀，得Cu1/mpg-C3N4/CNT分散液。将上述分散液滴在一盖玻片上，将碳纤维电极尖端放在上面转动以涂覆复合物层，随后在烤灯下干燥。经单原子催化剂及碳纳米管修饰后的碳纤维电极的扫描电镜图如图3B所示。将干燥好的碳纤维电极尖端浸入0.5％Nafion溶液，几秒钟后取出，自然晾干，反复几次后即制得过氧化氢微电极。
实施例2
使用实施例1获得的微电极活体原位检测过氧化氢浓度
1.为了验证体外微电极对过氧化氢的选择性，发明人比较了脑内常见的干扰物质在电极上的响应。参考图4A和图4B，对工作电极施加0V的电压，待电流稳定后，向电解液(此处采用人工脑脊液，简写为aCSF，其组成为NaCl(126mmol/L)，KCl(2.4mmol/L)，KH2PO4(0.5mmol/L)，MgCl2(0.85mmol/L)，NaHCO3(27.5mmol/L)，Na2SO4(0.5mmol/L)，CaCl2(1.1mmol/L)，用于模拟脑脊液环境)中加入10μmol/L的多巴胺(DA)溶液、10μmol/L二羟基苯乙酸(DOPAC)溶液、10μmol/L的五羟色胺(5-HT)溶液、10μmol/L的去甲肾上腺素(NE)溶液、10μmol/L的尿酸(UA)溶液、50μmol/L的氧气(O2)溶液，均没有产生明显的电流响应，加入5μmol/L的过氧化氢(H2O2)溶液后，电流显著增大，说明电极对过氧化氢具有很好的选择性。为了验证体外微电极的稳定性，发明人实施了微电极上过氧化氢长时间响应的实验。参考图5，向电解液(aCSF)中加入5μmol/L过氧化氢溶液，对工作电极施加0V的电压，发现电极的响应电流在20000s内基本不变，说明电极具有很高的稳定性。其中，安培法测定过程是在三电极体系中，过氧化氢微电极为工作电极，参比电极为Ag/AgCl电极，对电极为Pt电极。
2.为了证明获得的微电极在实际体系中能够监测过氧化氢，将该电极置于豚鼠脑内进行实时检测，检测脑区为皮层脑区(立体定位：AP：-4.2mm，ML：-2.5mm，V：-1mm)。参考图6A，微注射100μmol/L过氧化氢时，电流增大，证实了微电极在体内对过氧化氢的响应。参考图6B，微注射硫代苹果酸盐(MCS,一种能引起体内过氧化氢积累的药物)时，电极响应电流增大；而如果先注射谷胱甘肽乙酯(GSOEt，一种谷胱甘肽前体，可抑制H2O2水平)，再注射MCS，响应电流依旧增大，但增幅明显不如只注射相同浓度的MCS。
从上述实施例表明，本发明采用的单原子催化剂Cu1/mpg-C3N4与CNT复合修饰的碳纤维电极对活体内过氧化氢的精准测定具有良好的选择性。该微电极从化学设计上解决了过氧化氢电极易受氧气及其他物质干扰、稳定性差等问题，有望成为一种既简便又精准的测定过氧化氢的微传感器，对研究脑内过氧化氢浓度变化及其相关的生理、病理过程有重要意义，在脑神经化学研究领域具有广泛的应用前景。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单原子催化剂，其特征在于，包括石墨相氮化碳作为载体，以及负载于载体上的铜单原子作为活性组分；
其中，所述活性组分在所述单原子催化剂中的原子百分含量为0.07-0.2％；
所述石墨相氮化碳为mpg-C3N4。
2.根据权利要求1所述的单原子催化剂，其特征在于，所述活性组分在所述单原子催化剂中的原子百分含量为0.1-0.2％。
3.根据权利要求1或2所述的单原子催化剂的制备方法，其特征在于，包括：
制备石墨相氮化碳分散液；所述石墨相氮化碳为mpg-C3N4；
将铜盐溶液加入所述石墨相氮化碳分散液中，搅拌后分离、干燥，制得催化剂前体；以及
将所述催化剂前体在H2和惰性气体的混合气氛中焙烧或者在H2气氛中焙烧，冷却后制得单原子催化剂。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述mpg-C3N4通过如下方法制得：将前驱体与二氧化硅胶体混合均匀，除去溶剂后焙烧、研磨，并将所得粉末置于刻蚀液中刻蚀，分离、洗涤、干燥后得到mpg-C3N4；所述前驱体包括以下任意一种或多种：氰胺、双氰胺、三聚氰胺和尿素。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述铜盐包括以下任意一种或多种：硝酸盐、亚硝酸盐、乙酸盐、硫酸盐、氯盐和溴盐。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气、氦气或氮气；所述混合气氛中H2的含量优选为5-10体积％。
7.一种微电极，其特征在于，包括电极、涂覆在电极表面的复合物层以及用于覆盖所述复合物层的聚合物层，其中，所述复合物层包含单原子催化剂或者单原子催化剂与碳材料的混合，所述单原子催化剂为权利要求1或2所述的单原子催化剂或通过权利要求3-6中任一项所述的制备方法获得的单原子催化剂。
8.根据权利要求7所述的微电极，其特征在于，所述碳材料包括碳纳米管、石墨烯、氮掺杂石墨烯及其他导电碳材料；所述单原子催化剂和所述碳材料的质量比为(0.5-5):1；所述聚合物层优选为全氟磺酸树脂；所述电极优选为碳纤维电极、铂微电极或金微电极。
9.根据权利要求7或8所述的微电极的制备方法，其特征在于，包括：
将单原子催化剂和任选的碳材料分散于溶剂中，得到分散液；
用所述分散液涂覆电极尖端，之后干燥；以及
将干燥后的电极尖端浸入聚合物溶液中，取出干燥后制得微电极。
10.根据权利要求7或8所述的微电极或通过权利要求9所述的制备方法获得的微电极用于测定过氧化氢浓度、特别是脑内的过氧化氢浓度的用途。
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