一种以碳基材料为模板的金属纳米材料及其合成方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及金属纳米材料，具体的说是一种以碳基材料为模板的金属纳米材料及其合成方法和应用。
【背景技术】
[0002]锡、锑和铋在元素周期表中属于P区金属元素，它们在含氧化物中的价态一般为+2、+3价，具有孤对电子的金属离子偏离其配位体对称中心导致的非对称的配位环境将会使它们的氧化物产生一系列的物理性质，包括铁电性、压电、非线性光学效应、光电和电光效应、光激发光及光催化特性。当前这类金属氧化物材料作为光催化剂的研究是最多的，例如开发新的合成方法，制备不同形貌金属基材料；通过负载、掺杂等提金属基材料的特性；通过与其他半导体材料复合提高光催化活性等。但是目前对于这类金属单质的研究还是比较少的，但有文献报道锡、锑和铋材料在重金属检测方面有比较好的效果。
[0003]环境中的重金属来源广泛，像生源要素铁可以参与生物体的新陈代谢，而铅、镉、锌等重金属不易降解，可在生物体中富集最终影响到人类的健康。随着人们对重金属的认识越来越深刻，准确快速有效地测定重金属含量已成为近年来分析方法研究中的重要内容。
[0004]在电化学检测重金属方面，汞基电极是一种性能优越的电化学溶出伏安传感器，但是汞有毒，随着环境意识的加强以及研究的深入其在很多国家已经被禁止使用。近年来，铋作为一种环境友好型金属元素，能与多种重金属生成二元或多元合金，分析性能与汞相当，背景电流几乎不受溶解氧的影响，被普遍认为是一种替代汞的绿色环保型电极材料。金属锡和锑与铋的结构性质相似，近年来也有报道锡膜、锑膜等作为电极材料用于重金属的分析。有关这类金属基电极的研究发展迅速，但是目前用于检测的电极主要是金属膜电极及复合物修饰的金属膜电极。金属膜电极一般都是在溶液中通过电镀形成，若能合成新型的金属纳米材料，利用纳米材料对电极进行修饰，不仅可以将纳米材料本身的独特性质引入电极界面，电极同时也会拥有纳米材料的大比表面积特性，从而提高电化学分析性能。
[0005]目前，石墨烯、碳纳米管等材料以其独特的结构和优异的力学、电学和热力学性能被研究者全面研究并在材料、能源、环境等各个领域都得到广泛应用，但是，目前大多数的应用都是涉及到它们独特的光电化学性质，例如在超级电容器中就是综合应用了其表面积大、导电性好、力学性能稳定化学稳定性强的特点，再比如，在燃料电池的应用，其稳定有序的结构、稳定的化学性能及良好的导电性为催化剂提供了优渥的支撑平台；另一个趋势就是，结合其他方法或者是材料弥补或与之相得益彰来充分发挥它们的一些结构和性质特点。而关于石墨烯、碳纳米管这类材料作为模板来合成具有类似其结构的纳米材料的相关报道目前还未见公开报道。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种以碳基材料为模板的金属纳米材料及其合成方法。
[0007]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0008]—种以碳基材料为模板的纳米材料，纳米材料结构类似于碳基模板材料；纳米材料为碳基材料表面沉积金属元素；碳基材料表面沉积的金属元素的重量百分比为80-90% ;其中，主要成分是金属单质，同时还含有少量的金属氧化物、金属氢氧化物。该材料在水和醇中有较好的分散性。
[0009]所述金属元素锡、锑或铋。
[0010]所述纳米材料将金属盐溶液在还原剂的存在下，被还原的金属会在碳基材料模板表面沉积，即形成类似模板结构的纳米材料。
[0011]—种以碳基材料为模板的纳米材料的制备方法，将金属元素溶液在还原剂的存在下，使碳基材料模板表面生成金属元素，即形成纳米材料。
[0012]具体是，将少量模板与l-20mmol的金属盐溶液混合均匀，之后在混合溶液中加入过量的还原剂，用氨水调节pH 10-14，剧烈搅拌0.5-3h后于100-300°C的反应釜中反应8-20h,反应产物通过过滤、洗涤、干燥就可得到纳米材料。
[0013]所述制备过程的还原反应可以使用反应釜也可使用加热回流方法。
[0014]所述模板为石墨烯、碳纳米管、富勒烯或碳化钛；还原剂为含水肼、硼氢化钠或柠檬酸钠。
[0015]所述纳米材料可作为电极修饰材料，用于电化学检测技术中。
[0016]所述纳米材料可作为电极修饰材料，用于环境水体中生源要素或重金属的电化学检测中。
[0017]本发明所具有的优点:
[0018]本发明用石墨烯等碳材料为模板，通过水热还原法合成新型的纳米材料，该方法具有反应条件温和、制备工艺简单的特点。
[0019]本发明合成纳米材料过程中加入少量的石墨烯等模板，由于碳材料通常分散性较好且有些碳材料中含氧官能团的存在，使碳材料表面带有一定量负电荷，电荷相互作用使得金属离子分布在碳材料周围，之后再加入还原剂，使金属离子被还原为金属单质，在此过程中于少量存在的碳材料为模板的表面生长金属单质，最终形成具有类似碳材料纳米结构的新型纳米材料。
[0020]本发明合成的新型纳米材料其主要成分是金属单质，从能谱的元素组成分析中可以发现金属氧化物等产物比较少。
[0021 ] 本发明合成的新型的纳米材料作为电极修饰材料应用于重金属的电化学检测中，由于纳米材料优异性能及高的比表面积结合这类金属可以与重金属形成二元或多元合金的性能，该材料修饰电极在重金属检测方面可以明显提高电极性能，且灵敏度高、稳定性好。同时可用于提高重金属的分析检测性能。
【附图说明】
[0022]图1为本发明实施例提供的以石墨烯为模板合成的纳米片状铋材料的SEM图。
[0023]图2为本发明实施例提供的以石墨烯为模板合成的纳米片状铋材料的EDS图。
[0024]图3为本发明实施例提供的合成的铋纳米片材料修饰的电极对不同浓度生源要素铁的溶出伏安图和相对应的工作曲线图。
【具体实施方式】
[0025]本发明是在金属离子还原的过程中加入少量碳基材料作为模板可以得到类似模板结构的金属纳米材料。材料的制备方法是:配制I?20mmol的金属盐溶液并加入少量的模板混合均匀，之后在混合溶液中加过量的还原剂，反应一段时间后，反应产物通过过滤、洗涤、干燥就可得到新型金属纳米材料。
[0026]实施例1
[0027]以石墨烯作为模板含水肼作为还原剂合成新型铋纳米材料:
[0028]用去离子水配制l-20mmol的硝酸铋溶液，然后向溶液中加入少量的石墨烯作为模板材料并搅拌