CN103018304A - 一种氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极及其制备方法和应用 - Google Patents

一种氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于电化学和纳米材料技术领域,特别涉及一种基于氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极及其制备方法和该电极用于对乙酰氨基酚的检测,首先将氧化石墨烯超声分散在超纯水中,得到氧化石墨烯胶体溶液,然后把制得的氧化石墨烯胶体溶液与硫酸镍溶液超声混合制成电解液;再将洁净电极浸入所制得的电解液中,在电极表面均匀恒电位电沉积石墨烯和氧化镍后晾干、洗涤,即得所需玻碳电极。该玻碳电极的制备工艺简单、制备时间短、无毒环保,成本低。而且所述玻碳电极可用于对乙酰氨基酚的检测,并具响应时间快、线性范围宽、重现性好、稳定性高,而且不受共存的电活性物质的干扰,是一种优良的检测电极。

Description

一种氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于电化学和纳米材料技术领域,特别涉及一种基于氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极及其制备方法和该电极用于对乙酰氨基酚的检测。
背景技术
对乙酰氨基酚(扑热息痛,退热净,醋氨酚),具有解热镇痛作用,用于感冒发烧、关节痛、神经痛、偏头痛、癌痛及手术后止痛等。然而过量服用对乙酰氨基酚可引起肝脏损害,严重者可致昏迷甚至死亡。对乙酰氨基酚的肝毒性源于药物代谢过程中出现的问题,在生物转化过程中,它会产生一种代谢物质,即N-乙酰对苯醌亚胺,其特性较大,需要与体内的还原性谷胱甘肽等保护因子结合才能降低毒性。如果服用对乙酰氨基酚剂量过大,或是谷胱甘肽等保护因子减少时,致使这一毒性较大的中间代谢物与其他重要的大分子结合,就会出现肝损伤。因此,一种可靠、快速和经济的方法来准确的检测对乙酰氨基酚具有重要的意义。对乙酰氨基酚的检测方法有很多,比如:滴定分析法、分光光度法、化学发光法和电化学方法。但是,在这些方法中,电化学方法因其具有简便、准确、灵敏度高、成本低检测前预处理工作耗时短等优点,被广泛运用于对乙酰氨基酚的检测中,所以,检测电极的稳定性和重现性对检测结果是至关重要的。但是,目前所用到的传感器的检测电极重现性较差、响应时间较慢。
纳米颗粒由于它具有较大的比表面积、好的电导率和生物相容性在提高传感器性能方面具有很重要的作用。尤其是金属或金属氧化物纳米粒子引起了研究者极大的兴趣,他们利用金、碳纳米管、和其他纳米粒子来构建对乙酰氨基酚传感器。与此同时,石墨烯由于其独特的结构、高的机械强度、可协调的光学性能以及导电性备受科研工作者的喜欢。然而,传统的制备方法,尤其是化学还原法往往会导致产物的污染。因为化学还原法往往使用联氨或硼氢化钠等有毒或是价格昂贵的试剂作为还原剂。因此,开发一种制备石墨烯的绿色方法是非常有意义的。近年来的研究表明,直接电化学还原氧化石墨烯制备石墨烯的方法极为有效,并且,电化学还原的石墨烯已经应用于许多领域:如传感器、电容器以及燃料电池等。
发明内容
本发明的目的是提供一种氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极,该电极对于对乙酰氨基酚的检测具有响应时间短、重现性好、稳定性高及良好的电催化氧化活性。
本发明的另一个目的是提供一种上述氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极的制备方法。
本发明的目的可以通过以下方案来实现:
一种制备氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极的方法,其步骤包括:
(1)将氧化石墨烯超声分散在超纯水中,得到氧化石墨烯胶体溶液,然后把制得的氧化石墨烯胶体溶液与NiSO4·6H2O溶液超声混合制成电解液;
(2)将洁净电极浸入步骤(1)中所制得的电解液中,在电极表面恒电位电沉积石墨烯和氧化镍后晾干、洗涤。优选的,先将电极用0.3μm的铝粉打磨,然后依次在超纯水、无水乙醇、超纯水中超声处理3-5分钟,晾干后即得洁净电极。
所述步骤(1)的电解液中,氧化石墨烯与Ni离子的配比为1g:3-20mmol。优选的,所述步骤(1)中的电解液中,氧化石墨烯与Ni离子的配比为1g:5-10mmol。
所述步骤(1)中的电解液的氧化石墨烯含量为1~4mg/ml。
所述步骤(1)中的电解液中还含有0.02~0.05mol/L硫酸钠。
所述步骤(2)中,恒电位沉积所用电位为-1.0~-1.8V,恒电位沉积所用时间为50~2100秒。优选的,恒电位沉积所用电位为-1.5V,恒电位沉积所用时间为150-200秒。
本发明还涉及氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极在检测对乙酰氨基酚中的应用。
本发明所使用的氧化石墨烯是采用改良Hummers方法制备得到。
本发明的有益效果是:1、所述氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极的制备方法是采用电化学一步还原法得到,制备工艺简单、制备时间短、无毒环保,成本低。2、所述玻碳电极外表面均匀电沉积有石墨烯和氧化镍,可用于对乙酰氨基酚的检测,而且对对乙酰氨基酚的检测表现出很好的电催化氧化活性,并具响应时间快、线性范围宽、重现性好、稳定性高,而且不受共存的电活性物质的干扰,对对乙酰氨基酚检测限为2×10-8mol/L,是一种优良的检测电极。
附图说明
图1是氧化镍-石墨烯纳米粒子(a),电化学还原法制备的石墨烯(b)和氧化石墨烯(c)的拉曼光谱图,内插图为氧化镍的拉曼特征光谱。
图2是氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极的场发射扫描电镜图。
图3是氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极的光电子能谱图。
图4是氧化石墨烯的光电子能谱图(a),电化学还原法制备的石墨烯的光电子能谱图(b)。
图5是电沉积所得氧化镍的光电子能谱图。
图6是氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极对对乙酰氨基酚的循环伏安图。
图7是氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极对对乙酰氨基酚的微分脉冲伏安曲线图,内插图为该玻碳电极对对乙酰氨基酚的检测的峰电流与浓度的关系图。
图8是氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极及普通石墨烯玻碳电极对对乙酰氨基酚的干扰试验的微分脉冲伏安曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例,对本发明作进一步说明:
本实施例所用到的设备:Hitachi S-4800型扫描电镜拍摄、pHS-3C实验室酸度计、KQ3200E型超声波清洗器、PHI5000ESCA X射线光电子能谱仪,LabRamΠ,Dilor(法国)光谱仪。
实施例1
将玻碳电极用0.3μm的铝粉打磨,再依次在超纯水,无水乙醇,超纯水中超声处理3-5分钟,制得洁净的玻碳,然后在室温条件下晾干、备用;
称取4mg氧化石墨烯(该氧化石墨烯采用Hummers法合成)溶于1ml超纯水中,超声处理6小时,使得氧化石墨烯均匀分散在超纯水中,得到浓度为4mg/mL的氧化石墨烯胶体溶液;
将浓度为40mmol/L的NiSO4·6H2O溶液(其中溶液中含有0.1mol/L的Na2SO4作为支持电解质)和上述制备的氧化石墨烯胶体溶液以体积比为1:1.5的比例混合,超声处理5分钟,制得电解液;将处理过的洁净玻碳电极浸在此电解液中,于-1.5V恒电位下电沉积150秒,然后将玻碳电极于空气中晾干,洗涤,即得氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极。
实施例2
将玻碳电极用0.3μm的铝粉打磨,再依次在超纯水,无水乙醇,超纯水中超声处理3-5分钟,制得洁净的玻碳,然后在室温条件下晾干、备用;
称取5mg氧化石墨烯(该氧化石墨烯采用Hummers法合成)溶于1mL超纯水中,超声处理6.5小时,使得氧化石墨烯均匀分散在超纯水中,得到浓度为5mg/mL的氧化石墨烯胶体溶液;
将浓度为50mmol/L的NiSO4·6H2O溶液(其中溶液中含有0.1mol/L的Na2SO4作为支持电解质)和上述制备的氧化石墨烯胶体溶液以体积比为1:2的比例混合,超声处理5分钟,制得电解液;将处理过的洁净玻碳电极浸在此电解液中,于-1.5V恒电位下电沉积200秒,然后将玻碳电极于空气中晾干,洗涤,即得氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极。
性能表征:以下测试所用到的氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极均为实施例1中制备得到的玻碳电极。
(1)、拉曼光谱检测
将氧化镍-石墨烯纳米粒子进行拉曼光谱检测,拉曼光谱图如图1中的a,同时又将电化学法还原的石墨烯,拉曼光谱图如图1中的b及采用Hummers法合成的氧化石墨烯,拉曼光谱图如图1中的c进行比较,结果表明:氧化石墨烯和电化学法还原的石墨烯都显示了较强的D峰(由于谷间散射形成的缺陷峰)和强的G峰。但是,与氧化石墨烯相比电化学法还原的石墨烯显示了一个稍强的2D峰。并且电化学法还原的石墨烯的D/G的强度大于氧化石墨烯的,由此表明在电化学还原石墨烯中小尺寸粒子的数目增加。这些均说明氧化石墨烯已成功的被还原为石墨烯。并且,在图1的a中我们可以观察到在400-500cm-1范围内存在氧化镍的拉曼特征光谱,说明氧化镍的存在,具体见图1中的内插图。
(2)、氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极表面形貌图
场发射扫描电子显微镜是可以用来表征电极表面形貌的一种手段。采用场发射扫描电子显微镜拍摄玻碳电极的表面形貌,具体如图2所示,从图2中可以观察到,氧化镍均匀分布在玻碳电极上,而且未发生团聚的石墨烯覆盖在氧化镍表面上。
(3)、氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极的成分检测
从图3所示的X射线光电子光谱(XPS)图上可以看到,所制备的氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极只有3种元素组成:碳、氧、镍。
为了进一步表征所制备的物质是石墨烯和氧化镍复合物,采用X射线光电子能谱对氧化石墨烯和电化学法还原的石墨烯进行表征,具体见图4所示,图4a是氧化石墨的XPS图,图4b是电化学法还原的石墨烯的XPS图。结果表面:氧化石墨烯的的C1s光电子能谱图中含有明显的很大与氧化程度的含氧官能团,分别归属于碳的不同官能团:无氧的环状碳,环氧碳,羟基碳以及羰基碳。虽然,电化学法还原的石墨烯中也存在相同的官能团,然而他们的峰强度明显的比氧化石墨烯弱。因而,电化学还原的方法,提供了一种可行的在电极上制备石墨烯薄膜的方法。
采用XPS图分析了镍的价态,具体如图5所示,图5中的氧化镍(NiO)的Ni(2p)的特征结合能如下:855.8eV(2p3/2)、861.6eV(2p3/2)、873.6eV(2p1/2)及879.0eV(2p1/2),表明氧化镍的存在,而且检测结果与图1中的拉曼光谱图也相对应。
(4)、氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极对对乙酰氨基酚(AP)的检测
A、电催化性能
将制备的氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极对浓度为1mmol/L的AP溶液进行了电催化测试,具体见图6,在没有AP的PBS(pH=7.0)的溶液中是一条平滑的曲线,如图中的a检测线所示,当加入了浓度为1mmol/L的AP后,可以观察到一对明显的氧化还原峰出现,如图中的b检测线所示,由此可知:氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极对AP具有良好的催化性能。
B、检测限
采用微分脉冲伏安法,测试氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极对AP的检测限及线性范围,具体测试结果如图7所示,在浓度为2×10-8mol/L至1×10-4mol/L范围内,所制备的玻碳电极对AP具有很好的线性,检测限为2×10-8mol/L。
C、选择性和干扰测试
在实际样品的分析实验中,一些共存的电活性物质可能会干扰对AP的检测结果,所以进行了选择性和干扰实验。将氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极对AP检测过程中分别加入多巴胺、抗坏血酸和尿酸作为干扰剂进行测试,并与普通的石墨烯电极检测AP时加入相同浓度的多巴胺、抗坏血酸和尿酸作为对比测试。具体结果如下:
在利用氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极对AP检测过程中,加入了浓度均为0.1mmol/L的多巴胺、抗坏血酸和尿酸,但是对AP检测没造成明显干扰,如图8的a检测线所示,而且与利用普通的石墨烯电极检测AP时的检测峰相比(图8的b检测线),峰强明显变大了,说明所制备的玻碳电极检测AP具有很好的选择性。
同时,还对实际样品(日夜百服咛)中的AP含量进行了测定,结果如表1所示,日片回收率在95.93%~103.5%,5次测量的相对标准偏差(RSD)是3.373%,因为夜片与日片相比多了一种马来酸氯苯那敏的成分,因而对夜片也进行了相应的分析,结果表明:马来酸氯苯那敏对AP的检测没有干扰,夜片的回收率为98.24%~102.4%,RSD=2.079%(n=5),说明此玻碳电极对AP的检测准确率很高。
表1
Figure BDA00002713245100071
D、稳定性测试
将同一根氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极对浓度为1mmol/L的AP进行5次平行试验,结果显示这5次实验的相对标准偏差小于1.489%,制备5根相同的电极同时检测1mmol/L的AP,相对标准偏差是2.622%,上述结果说明了该玻碳电极具有很好的重现性。该玻碳电极在常温下保存并每5天对浓度为1mmol/L的AP进行测量,一个月后发现此玻碳电极的峰电流是原来的91.40%,由此说明了采用本法制备的氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极具有很好的稳定性。

Claims (10)

1.一种氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极,其特征在于:所述玻碳电极外表面均匀电沉积有氧化镍及石墨烯纳米粒子。
2.一种如权利要求1所述的氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极的制备方法,其步骤包括:
(1)将氧化石墨烯超声分散在超纯水中,得到氧化石墨烯胶体溶液,然后把制得的氧化石墨烯胶体溶液与硫酸镍溶液超声混合制成电解液;
(2)将洁净电极浸入步骤(1)中所制得的电解液中,在电极表面恒电位电沉积石墨烯和氧化镍后晾干、洗涤。
3.根据权利要求2所述的制备氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极的方法,其特征在于:所述步骤(1)的电解液中,氧化石墨烯与Ni离子的配比为1g:3-20mmol。
4.根据权利要求3所述的制备氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极的方法,其特征在于:所述步骤(1)中的电解液的氧化石墨烯与Ni离子的配比为1g:5-10mmol。
5.根据权利要求2所述的制备氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极的方法,其特征在于:所述步骤(1)中的电解液的氧化石墨烯含量为1~4mg/mL。
6.根据权利要求2所述的制备氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极的方法,其特征在于:所述步骤(1)中的电解液中还含有0.02~0.05mol/L硫酸钠。
7.根据权利要求2所述的制备氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极的方法,其特征在于:所述步骤(2)中,恒电位沉积所用电位为-1.0~-1.8V,恒电位沉积所用时间为50~2100秒。
8.根据权利要求7所述的制备氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极的方法,其特征在于:所述步骤(2)中,恒电位沉积所用电位为-1.5V,恒电位沉积所用时间为150-200秒。
9.根据权利要求2所述的制备氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极的方法,其特征在于:所述步骤(2)中,先将电极用0.3μm的铝粉打磨,然后依次在超纯水、无水乙醇、超纯水中超声处理3-5分钟,晾干后即得洁净电极。
10.权利要求1所述的氧化镍-石墨烯纳米材料修饰的玻碳电极在检测对乙酰氨基酚中的应用。
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