[发明专利]一种三维石墨烯空心球/ITO玻璃电极的制备及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维石墨烯空心球/ITO玻璃电极的制备及应用。

背景技术

石墨烯是一种以sp²杂化轨道结合的碳原子为基本单位，形成的只有单层原子厚度的二维材料，是构成其他碳质材料的基本组成单位。石墨烯具有优异的机械性能，它的弹性模量和抗拉强度分别达到1.02 TPa和130 Gpa，杨氏模量为1.05 TPa，泊松比为0.186，同时具有高的热导率和优异的电学性能，二维的石墨烯是一种平面结构，大大降低了石墨烯与溶液的接触面积，因此石墨烯在电化学领域中的应用受到了较大的限制，由此，将原来的二维的石墨烯结构变为中空的三维的石墨烯球，其保留了石墨烯优良的性质外，大大增加了与溶液的接触面积，使其成为优异的生物传感器电极材料。

尿酸（UA）是身体嘌呤代谢最重要的产物之一，是尿液和血清等生物流体中的主要含氮成分，它在人体血液中的正常含量为0.13-0.46mM，身体中UA含量异常是一系列疾病的征兆和表现症状，如高尿酸血症、Lesch-Nyhan综合症，关节炎，糖尿病，高胆固醇，心血管疾病和肾脏疾病等，因此UA含量是多种疾病的一个指标，所以，准确检测UA含量，对于诊断和预防这些疾病具有重大意义。

发明内容

本发明是要解决二维石墨烯与溶液接触面积小，在生物传感器应用方面受限的技术问题，开发一种三维石墨烯空心球/ITO玻璃电极的制备方法和应用，该电极的制备按以下步骤进行：

一、模板法

1） 配制0.2-0.5M的NiCl₂·6H₂O溶于30ml去离子水中，放置在磁力搅拌器进行搅拌，待其溶解均匀后加入10-20M的水合肼（N₂H₄·H₂O），溶液变为浅紫色，步骤一1）中磁力搅拌器的搅拌速率为300-500r/min；步骤一1）中N₂H₄·H₂O的质量分数为80%；

2） 用去离子水清洗烧杯壁，冲去烧杯边缘所残留的浅紫色黏着物，待其冷却到室温后加入20-30M的NaOH溶液，反应12h后溶液底部是黑色球，上层为澄清溶液，步骤一2）中NaOH 的质量分数为50%；

3） 将步骤一2）中得到的黑色球用去离子水清洗，然后抽滤，最后在干燥箱中进行干燥，得到镍球模板；

二、碳化包覆法

1） 将步骤一3）中得到的镍球加入到烧瓶中，加三甘醇40mL，向其中加入几滴NaOH溶液，在300-500r/min的搅拌速率下，180-240℃加热回流10-14h；步骤二1）中NaOH的质量分数为50%；

2） 将步骤二1）中得到的产物冷却、过滤、洗净、干燥最终得到黑色粉末，将黑色粉末放入加热炉中，在Ar保护下400-550℃碳化处理1-2h，步骤二2）的升温速率为10-20℃/min；

3） 将步骤二2）中得到的粉末用浓度为1-5mol/L的稀盐酸进行刻蚀，去除镍球模板，之后过滤、洗净、干燥得到三维石墨烯空心球粉末，步骤二3）中刻蚀是将碳化处理后得到的石墨烯包裹的镍球置于磁力搅拌器上，用80-100℃的盐酸溶液中刻蚀，待镍刻蚀干净后用去离子水清洗2-4次并在抽滤瓶上过滤，最后将得到的三维石墨烯空心球；

三、自动喷涂法

1）将步骤二3）中得到的三维石墨烯空心球与20mL的去离子水混合，搅拌得到悬浮液；

2） ITO玻璃的清洗：分别在丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水中超声清洗10min后，在室温下自然干燥，将六块ITO玻璃固定在自动喷涂设备的加热板上，用透明胶带将ITO玻璃夹电极一侧固定在加热板上，保证在检测时电极能够与ITO玻璃直接接触；

3）将步骤三1）中得到的悬浮液置于喷枪中，通过自动喷涂设备将其喷涂在步骤三2）中得到的ITO玻璃上，制备三维石墨烯空心球/ITO玻璃电极，整个喷涂过程是在10psi进气压下来进行的，步骤三3）中喷枪的喷嘴到ITO玻璃的距离为10-20 cm，加热盘温度为100℃。

本发明的优点：

（1）采用水合肼还原氯化镍的方法来制备镍球模板，通过控制不同比例的反应物的浓度，来制备不同尺寸大小的镍球模板；

（2）采用碳化包覆法制备将石墨烯包覆在镍球表面，刻蚀镍后，得到三维石墨烯空心球，该方法操作简单，成本低廉，可以实现大批量的生产；