一种直立少层石墨烯-金属纳米粒子复合催化电极的制作方法

本发明属于电化学领域，尤其涉及一种具有催化活性的直立少层石墨烯-金属纳米粒子复合催化电极。

背景技术：

自2003年直立少层石墨烯被成功制备以来，这种明星材料因其特殊的结构，易于工业化生产和卓越的性能收到人们的关注。这种无需粘结剂直接生长于衬底表面的材料，具有巨大的比表面积和微观机械强度。根据需要，仅需经过等离子轰击或紫外照射等简单的处理，直立少层石墨烯便可在保有优良导电性的基础上克服亲水性不足的缺点。研究表明石墨烯-金属复合电极具有广阔的应用前景，如用于催化，生物传感器等领域。目前大多数报道采用还原氧化石墨烯-金属复合材料制备电极，但毫无疑问大量粘结剂牺牲了电极的导电性和后续应用范围，氧化石墨烯制备流程中浓酸的使用也带来了安全和环保方面的考验。在石墨烯与金属纳米粒子的连接过程中，常用的方法有原位还原法、有机物修饰法、电化学沉积法等，但这些方法均存在不足，原位还原法只能得到单组份纳米粒子，有机物修饰法制备步骤繁复，电化学沉积中纳米粒子的尺寸形貌难以控制等。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于：针对现有技术不足，提供一种直立少层石墨烯-金属纳米粒子复合催化电极，其能能够根据需求复合多种金属，制备步骤简便，金属粒子尺寸形貌可控，同时降低原料成本及符合环保理念，有利于大规模实际应用。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种直立少层石墨烯-金属纳米粒子复合催化电极，包括：导电基底、直立少层石墨烯层、金属纳米粒子。

作为本发明直立少层石墨烯-金属纳米粒子复合催化电极的一种改进，所述导电基底为碳纸、碳布、石墨纸、镍箔、镍网、钛箔、钛网、铂箔、金箔、金网中的至少一种。

作为本发明直立少层石墨烯-金属纳米粒子复合催化电极的一种改进，所述直立少层石墨烯层由低压下的等离子辅助的化学气相沉积法制备，其结构包括靠近基底的平面石墨烯层和承载金属纳米粒子的直立石墨烯层两部分。

作为本发明直立少层石墨烯-金属纳米粒子复合催化电极的一种改进，所述平面石墨烯层的厚度为2nm~30nm，所述直立石墨烯层的高度为10nm~20µm，7层石墨烯[v1]，平均厚度少于2.5nm，边缘厚度少于1nm，比表面积介于1000~2600m²/g，其他形貌特征如密度、弯曲度可调制。

作为本发明直立少层石墨烯-金属纳米粒子复合催化电极的一种改进，所述金属纳米颗粒作为催化剂和活性成分，由铂、金、钯、镍、钌等金属的至少一种构成，平均直径介于0.5到100纳米之间，尺寸差异小于10%，金属纳米颗粒均匀负载于直立型少层石墨烯表面和边缘，表面覆盖率可控制在0-100%。

本发明的另一个目的在于，提供一种本发明所述-金属纳米粒子复合催化电极[v2]的制备方法，至少包括如下步骤：

步骤s1，将导电衬底放入等离子体化学气相沉积装置的真空腔中，并通入还原性气体，通过流量调节维持装置内的低压状态，对衬底进行等离子体刻蚀反应；

步骤s2，刻蚀反应结束后通入保护气体，升温后通入碳源和缓冲气体，通过流量调节维持装置内的低压状态；

步骤s3，对刻蚀好的衬底进行等离子体化学气相沉积反应，反应结束后待设备温度降至室温，即可获得生长有直立少层石墨烯的导电基底；

步骤s4，选择金属靶材，将生长有直立少层石墨烯的导电基底置于物理气相沉积装置中，往装置中通入惰性气体，通过流量调节维持装置内的低压状态，进行磁控溅射复合纳米粒子；

步骤s5，磁控溅射结束后，冲入惰性气体至常压，升高温度进行一定时间的退火处理[v3]

步骤s6，退火反应结束后待设备温度降至室温，即可获得石墨烯-金属纳米粒子复合催化电极。

作为本发明方法的一种改进，所述还原性气体为氢气和氩气中的至少一种，所述低压状态为真空度稳定在5pa~30pa。

作为本发明方法的一种改进，所述保护气体为氮气和氩气中的至少一种，所诉碳源为甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、乙炔、甲醇、乙醇、丙酮、苯、甲苯，二甲苯和苯甲酸中的至少一种，所诉缓冲气体为氢气、氩气中的至少一种。

作为本发明方法的一种改进，所述等离子体的离子源为射频等离子体、微波等离子体或直流高压等离子体中的至少一种，等离子体设备提供的功率密度为1-50瓦每平方厘米。

作为本发明方法的一种改进，所述等离子体化学气相沉积反应的反应温度为400℃~1500℃，优选690℃~950℃，升温速率为1℃/min~100℃/min。

作为本发明方法的一种改进，所述刻蚀反应的时间为1-30min，所诉等离子体化学气相沉积反应的时间为15-120min。

作为本发明方法的一种改进，所述金属靶材为铂、金、钯、铑、镍、钌中的至少一种。

作为本发明方法的一种改进，所述磁控溅射时真空度控制在5pa~30pa，功率0.5-5w/cm²，时间1-500s。

作为本发明方法的一种改进，所述惰性气体为氢气、氮气和氩气中至少一种。

作为本发明方法的一种改进，所述退火温度为200~800℃，时间0~1h。

相对于现有技术，本发明至少具有如下有益效果：

1、基于新型的直立型石墨烯纳米材料，本发明提供的复合催化电极具有高导电性，高比表面积，高结构强度，高化学稳定性等特点，具有良好和稳定的物理和化学性质，同时大量的石墨烯边缘和活性部位，有利于金属纳米粒子的复合。

2、在保持直立石墨烯原有的三维立体结构的基础上，在其表面均匀地复合金属纳米粒子，使得该纳米级复杂材料具有高比表面积和大孔容，此外，由于金属纳米粒子本身，以及其与碳成键活性位点的协同作用，本发明提供的复合催化电极对非酶过氧化氢的电化学检测表现出高的灵敏度和选择性。

3、本发明提供的复合催化电极有效表面积和金属利用率高，极大地减少了贵金属用量和工业成本。

4、本发明通过磁控溅射法复合纳米粒子，制备步骤简便，金属粒子尺寸形貌可控，纯度高，无污染，同时避免了生产过程被污染。有利于高效快速廉价的大批量生产，可广泛应用于电化学，分析化学，生化，医疗，环境以及能源相关行业，具有广阔的商业化前景。

附图说明

下面就根据附图和具体实施方式对本发明及其有益的技术效果作进一步详细的描述，其中：

图1为直立型少层石墨烯扫描电镜照片。

图2a)为直立型少层石墨烯扫描电镜（sem）照片；b)为高分辨率投射电镜照片。

图3为铂纳米颗粒修饰直立型少层石墨烯纳米电极透射电子显微镜照片。

具体实施方式

下面就根据附图和具体实施例对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不局限于此。

实施例1

如图1所示，直立型少层石墨烯具有独特的形貌：碳纳米片直立生长，具有很大的表面积。图2揭示了边缘厚度介于0.34到0.37纳米，为一到两层石墨烯结构。图3显示铂颗粒尺寸形貌均匀，平均直径为2纳米左右。

一种直立少层石墨烯-金属纳米粒子复合催化电极的制备方法，至少包括如下步骤：

第一步，将高导电碳纸放入等离子体化学气相沉积装置的真空腔中，1：1通入还原性气体氢气和氩气，通过流量调节维持装置内的低压状态，使真空度稳定在15pa，对基底进行等离子体刻蚀反应，反应时间为10min，等离子设备功率密度为10瓦每平方厘米；

第二步，刻蚀反应结束后通入氩气，以20℃/min的升温速率加热至700℃，升温后1：1通入氢气和甲烷，通过流量调节维持装置内的低压状态，保持真空度为15pa；

第三步，对基底进行等离子体化学气相沉积反应，反应时间为15min，等离子设备提供的功率密度为10瓦每平方厘米，反应结束后待设备温度降至室温；

第四步，选取铂金靶材将所得材料置于物理气象沉积装置中，抽真空至2x10^-3pa,充入氩气使气压稳定在5pa，开始磁控溅射，其中功率5w/cm²，时间70s；

第五步，磁控溅射结束后，冲入氩气至1x10⁵pa，升高温度至300℃保持30min进行退火处理；

第六步，退火反应结束后待设备温度降至室温，即可获得所需电极。

经过检测，本实施例制备的电极表面直立少层石墨烯层平均厚度为2µm，平面石墨烯平均厚度为2nm，平均比表面积为1300m²/g。用此材料作为一种直立少层石墨烯-金属纳米粒子复合催化电极，选择ph7.0的pbs缓冲溶液作为支持电解液。用cv研究了扫描速率对no^2-的电化学行为的影响,结果显示no^2-的氧化峰电流与扫速在10~350mv·s^-1的范围内呈良好的线性关系，ip(μa)=3.607+55.73v(v·s^-1)，(r=0.9990)，表明该电极反应是吸附控制过程。根据峰型的对称性，选择扫描速度为50mv·s^-1，采用差分脉冲伏安法绘制标准曲线。结果表明：随着no^2-的浓度增大,其氧化峰电流依次增大。no^2-的浓度在3.0×10^-5~6.0×10^-4mol·l^-1范围时,其峰电流与浓度呈现良好的线性关系。线性方程为i(μa)=11.99+0.038c(×10^-6mol·l^-1)，r=0.9980,检测限为1.0×10^-6mol·l^-1,说明该电极对no^2-的电化学氧化反应具有良好的催化性能,可以应用在no^2-的检测中。

实施例2

与实施例1不同的是直立石墨烯表面金纳米粒子的制备方法与应用，该方法至少包括如下步骤：

第一步，选取金靶材将经过实施例1中第一步到第三步制备的材料置于物理气象沉积装置中，抽真空至3x10^-3pa,充入氩气使气压稳定在5pa，开始磁控溅射，其中功率5w/cm²，时间300s；

第二步，磁控溅射结束后，冲入氩气至1x10⁵pa，升高温度至450℃保持40min进行退火处理；

第三步，退火反应结束后待设备内温度降至室温，取出样品；

经过检测，本实施例中直立石墨烯上负载的粒径约为13nm的纳米金颗粒。在ph=7.0以pbs为底液的不同浓度邻苯二酚与不同浓度对苯二酚的示差脉冲伏安图。邻苯二酚和对苯二酚在4×10^-6~1×10^-4mol/l浓度范围内,邻苯二酚和对苯二酚的还原峰电流和浓度呈很好的线性关系,邻苯二酚对应的线形回归方程为ipc=-4.2653+0.01246c,相关系数0.9933,检测限为4×10^-7mol/l。对苯二酚线性回归方程为ipc=-5.8562+0.06271c,相关系数为0.9986,对苯二酚检出下限为1×10^-7mol/l。邻苯二酚和对苯二酚混合溶液在2.0×10^-5~1.0×10^-3mol/l范围内,峰电流和浓度呈很好的线性关系,邻苯二酚的线性方程ipc(μa)=-3.016+0.016c(μmol/l)，相关系数r=0.9926,对苯二酚的线性方程ipc(μa)=-1.213+0.054c(μmol/l)，相关系数r=0.9933,检测下限为4.0×10^-6mol/l。分别对2.0×10^-4mol/l邻苯二酚和对苯二酚溶液平行测定5次,氧化还原峰电流基本稳定,相对标准偏差为2.1%,将该电极放置1、3、15天后,分别对邻苯二酚和对苯二酚的测定,还原峰电流没有明显变化,说明电极稳定性和重现性良好。结果表明,150倍的k⁺、na⁺、ca²⁺、pb²⁺、cu²⁺、mg²⁺和20倍浓度的多巴胺、柠檬酸、尿酸、抗坏血酸和葡萄糖均不干扰测定,表明此电极的抗干扰能力强。。

实施例3

与实施例1、2不同的是直立石墨烯表面银纳米粒子的制备方法与应用，该方法至少包括如下步骤：

第一步，选取银靶材将经过实施例1中第一步到第三步制备的材料置于物理气象沉积装置中，抽真空至2x10^-3pa,充入氩气使气压稳定在5.2pa，开始磁控溅射，其中功率4w/cm²，时间240s；

第二步，磁控溅射结束后，冲入氩气至1x10⁵pa，升高温度至250℃保持30min进行退火处理；

第三步，退火反应结束后待设备内温度降至室温，取出样品。

经过检测，本实施例中直立石墨烯上负载的粒径约为5nm的纳米银颗粒。称取2.27g磷酸二氢钾、11.93g十二水合磷酸氢二钠,溶解于500ml超纯水中,配制成ph7.0的磷酸缓冲溶液,于4℃冰箱中保存。取2.5ml过氧化氢溶液(30%)于250ml烧杯中,用97.5ml磷酸缓冲溶液稀释,搅拌均匀,得到0.25mol/l过氧化氢标准溶液。用移液枪移取100μl人血清至电解杯中,加入10mlph7.0的磷酸缓冲溶液,于冰水浴中超声5min,使其分散均匀。随后分别移取10ml磷酸缓冲溶液和10ml人血清溶液于不同的电解杯中,向溶液中通高纯氮气15min,除去溶液中的溶解氧。然后加入一定量的过氧化氢,通过磁力搅拌使加入的过氧化氢混合均匀,以铂电极作为对电极,饱和甘汞电极作为参比电极,纳米银-石墨烯电极作为工作电极,以50mv/s扫描速率进行循环伏安扫描,测试过氧化氢在纳米银-石墨烯电极上的响应。经过计算，过氧化氢的浓度在0.5～2.7mmol/l范围内与其还原峰峰电流呈良好的线性关系,线性相关系数r²=0.9930,检出限为0.17mmol/l(信噪比s/n=3),测定结果的相对标准偏差小于5%(n=5),加标回收率为98%～103%。该方法灵敏度高,测定结果准确可靠,可用于血清中过氧化氢的测定。