一种负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极、制备方法及应用

本发明属于电化学，具体涉及一种负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极、制备方法及应用。

背景技术：

1、自从单壁碳纳米管于1993年被发现以来，由于其独特的管状准一维结构和出色的力学、电学、光学、热学性质受到全世界科研人员的广泛关注。大量研究表明，单壁碳纳米管在半导体器件、纳米药物、生物催化、光催化、柔性导电材料等领域有着良好的应用前景。其中，由于单壁碳纳米管具有耐腐蚀、耐高温、可弯曲、导电性好等特点，非常适合作为柔性电化学传感器的电极材料。然而，制备柔性电极需要结晶性高的碳纳米管，由于单壁碳纳米管表面缺少悬挂键，很难对这类材料进行功能化修饰，这大大限制了单壁碳纳米管在柔性电化学传感器中的应用空间。

2、氧化镍、氧化钴、铂、钯等材料在诸多反应中具有优异的催化活性，例如，这些材料可以作为新型葡萄糖传感器的催化材料；纳米催化剂颗粒由于具有大的比表面积、比普通的催化剂粉末具有更强的催化活性，可以极大提高传感器的灵敏度；但是负载有纳米催化材料的单壁碳纳米管柔性电极还未见报道。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极、制备方法及应用，本发明的负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极由单壁碳纳米管电极层和负载催化剂的单壁碳纳米管电极层组成，具备优异的柔韧性、导电性和催化活性，通过双层单壁碳纳米管电极层的结构设计，解决了高结晶性单壁碳纳米管表面缺少悬挂键而难以进行功能化修饰的问题；本发明的柔性电极可以用作葡萄糖氧化反应中的催化传感器电极，以确保对葡萄糖氧化反应进程的精准监测；本发明柔性电极的制备方法，操作步骤简单，制备实施可行性高，整个制备过程没有用到剧毒或强氧化性的化学药品，安全环保性好。

2、本发明目的之一，提出一种负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极，包括如下操作步骤：

3、s1：利用直流电弧放电法制备单壁碳纳米管，先将电弧反应室内的气压抽至真空状态，再向电弧反应室内通入一定量的保护气体，在掺杂有铁催化剂的阳极碳电极棒和阴极纯碳电极棒之间放电，得到掺杂铁离子的单壁碳纳米管；将掺杂铁离子的单壁碳纳米管置于石英管中，然后将石英管内的气压抽至真空状态，再向石英管内通入干燥空气至标准大气压，利用加热设备将石英管加热至300～500℃，保温30～60min后关闭加热设备；待石英管冷却至室温后，将掺杂铁离子的单壁碳纳米管置于盐酸中浸泡一定时间去除铁离子，然后将单壁碳纳米管取出后用去离子水洗至中性并烘干，得纯净单壁碳纳米管；

4、s2：利用直流电弧放电法制备负载催化剂的单壁碳纳米管，先将电弧反应室内的气压抽至真空状态，再向电弧反应室内通入一定量的保护气体，在掺杂有催化剂的阳极碳电极棒和阴极纯碳电极棒之间放电，得负载催化剂的单壁碳纳米管；

5、s3：负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极的制备，将步骤s1中制备得到的纯净单壁碳纳米管置于一定量的去离子水中搅拌均匀形成单壁碳纳米管悬浊液，将步骤s2中制备得到的负载催化剂的单壁碳纳米管置于一定量的去离子水中搅拌均匀形成负载催化剂的单壁碳纳米管悬浊液，利用负压过滤法依次将制备的单壁碳纳米管悬浊液和负载催化剂的单壁碳纳米管悬浊液过滤至聚四氟乙烯微孔滤膜的同一侧面上，烘干后将碳纳米管膜从微孔滤膜上取下，得负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极。

6、优选的技术方案是，所述的步骤s1中：先将电弧反应室内的气压抽至10pa以下，再向电弧反应室内通入氢气/氩气混合气体作为保护气，并使保护气的气压控制在26～76kpa，氢气/氩气的体积比为1∶2；掺杂有铁催化剂的阳极碳电极棒和阴极纯碳电极棒之间的距离控制在5～10mm，放电电流控制在80～120a。

7、优选的技术方案还有，所述的步骤s2中：先将电弧反应室内的气压抽至10pa以下，再向电弧反应室内通入氦气或氩气作为保护气，并使保护气的气压控制在26～76kpa；掺杂有催化剂的阳极碳电极棒和阴极纯碳电极棒之间的距离控制在5～10mm，放电电流控制在80～120a；所用的催化剂为镍/氧化钇二元催化剂，其中镍原子占阳极碳电极棒总原子数的比例为2～6％、钇原子占阳极碳电极棒总原子数的比例为1％。

8、进一步优选的技术方案还有，所述的步骤s2中：所用的催化剂中还含有钴、铂、钯元素中的一种或几种，其中钴、铂、钯元素占阳极碳电极棒总原子数的比例为0～2％。

9、进一步优选的技术方案还有，所述的步骤s2中，还包括将负载催化剂的单壁碳纳米管置于石英管中，然后将石英管内的气压抽至10pa以下，再向石英管中通入干燥的空气或氢气/氩气混合气体至标准大气压，利用加热设备将石英管加热至300～800℃，保温30～60min以除去负载催化剂的单壁碳纳米管表面的无定形碳，其中氢气/氩气的体积比为1∶4。

10、优选的技术方案还有，所述的步骤s3中，所用的聚四氟乙烯微孔滤膜的孔径尺寸为1～5μm。

11、本发明目的之二，提出一种负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极，所述的负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极由上述的负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极的制备方法制备而成。

12、本发明目的之三，提出一种负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极的应用，将上述的负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极用于葡萄糖的催化氧化反应。

13、本发明的优点和有益效果在于：

14、1、本发明的一种负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极，具备优异的柔韧性、导电性和催化活性，通过双层单壁碳纳米管电极层的结构设计，解决了高结晶性单壁碳纳米管由于表面缺少悬挂键而难以进行功能化修饰的问题，其中位于底层的单壁碳纳米管电极层的导电能力很强，柔韧性佳，负载催化剂的单壁碳纳米管的比表面积大、催化活性强，并且两层单壁碳纳米管电极层之间的吸附能力强，因此两层单壁碳纳米管电极层之间无需使用粘合剂。

15、2、本发明的一种负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极，具有自支撑的特点，无需使用有机高分子材料作为衬底，由于碳纳米管的化学稳定性远高于有机高分子材料，该电极具有极佳的耐高温、耐低温、耐腐蚀性。

16、3、本发明的一种负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极可以用作葡萄糖氧化反应中的催化传感器电极，以确保对葡萄糖氧化反应进程的精准监测。

17、4、本发明的一种负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极的制备方法，操作步骤简单，制备实施可行性高，整个制备过程没有用到剧毒或强氧化性的化学药品，安全环保性能好。

技术特征：

1.一种负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极的制备方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

2.如权利要求1所述的负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤s1中：先将电弧反应室内的气压抽至10pa以下，再向电弧反应室内通入氢气/氩气混合气体作为保护气，并使保护气的气压控制在26～76kpa，氢气/氩气的体积比为1∶2；掺杂有铁催化剂的阳极碳电极棒和阴极纯碳电极棒之间的距离控制在5～10mm，放电电流控制在80～120a。

3.如权利要求1所述的负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤s2中：先将电弧反应室内的气压抽至10pa以下，再向电弧反应室内通入氦气或氩气作为保护气，并使保护气的气压控制在26～76kpa；掺杂有催化剂的阳极碳电极棒和阴极纯碳电极棒之间的距离控制在5～10mm，放电电流控制在80～120a；所用的催化剂为镍/氧化钇二元催化剂，其中镍原子占阳极碳电极棒总原子数的比例为2～6％、钇原子占阳极碳电极棒总原子数的比例为1％。

4.如权利要求3所述的负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤s2中：所用的催化剂中还含有钴、铂、钯元素中的一种或几种，其中钴、铂、钯元素占阳极碳电极棒总原子数的比例为0～2％。

5.如权利要求4所述的负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤s2中，还包括将负载催化剂的单壁碳纳米管置于石英管中，然后将石英管内的气压抽至10pa以下，再向石英管中通入干燥的空气或氢气/氩气混合气体至标准大气压，利用加热设备将石英管加热至300～800℃，保温30～60min以除去负载催化剂的单壁碳纳米管表面的无定形碳，其中氢气/氩气的体积比为1∶4。

6.如权利要求1所述的负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤s3中，所用的聚四氟乙烯微孔滤膜的孔径尺寸为1～5μm。

7.一种负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极，其特征在于，所述的负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极由上述权利要求1～6任意一项所述的负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极的制备方法制备而成。

8.如权利要求7所述的负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极的应用，其特征在于，将所述的负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极用于葡萄糖的催化氧化反应。

技术总结
本发明公开了一种负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极、制备方法及应用，本发明的负载催化剂的单壁碳纳米管柔性电极由单壁碳纳米管电极层和负载催化剂的单壁碳纳米管电极层组成。本发明的柔性电极，具备优异的柔韧性、导电性和催化活性，通过双层单壁碳纳米管电极层的结构设计，解决了高结晶性单壁碳纳米管表面缺少悬挂键而难以进行功能化修饰的问题；本发明的柔性电极，可用作葡萄糖氧化反应中的催化传感器电极，以确保对葡萄糖氧化反应进程的精准监测；本发明柔性电极的制备方法，操作步骤简单，制备实施可行性高，整个制备过程没有用到剧毒或强氧化性的化学药品，安全环保性好。

技术研发人员：朱天翔,赖尚,金丽,吴华任,魏诤文,江宸玥,戎灵玲,赵品佑
受保护的技术使用者：常州工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12