[发明专利]一种石墨烯-铜纳米粒子复合材料及其制备和应用

说明书

技术领域：

本发明涉及一种多级纳米结构石墨烯-铜纳米粒子复合材料的制备以及在电化学传感器中的应用

背景技术：

石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维新型碳材料，具有类似于密集蜂巢的超大共轭结构。自从2004年首次利用机械剥离得到高纯度单层石墨烯之后石墨烯就受到了广泛的关注。石墨烯具有很大的比表面积，高导电性，很强的机械强度，基于石墨烯的这些性质石墨烯被广泛的运用于合成纳米复合材料，制造化学生物传感器，以及其他一些电化学原件等等。尽管石墨烯具有很十分卓越的性能以及诱人的应用前景，但是目前制约石墨烯发展的一些因素也依然存在很多。如高纯度的单层石墨烯很难大规模生产，化学氧化法得到的氧化石墨烯再还原制取的还原氧化石墨烯因难以控制其被还原的程度以及不能避免氧化石墨在化学还原的过程中再次被石墨的化等因素均将石墨烯本来所具有的优越性能大大折扣，同样化学气相沉积法中得到的石墨烯依然存在石墨烯被石墨化的过程。因此，怎样得到高比表面，还原程度较高的石墨烯是石墨烯发挥其高性能的关键。针对以上所提出的问题本发明结合氧化石墨烯的制备方法，提供了一种简单可行的制备石墨烯-铜的多级纳米结构的方法，结果测试表明这种新型的石墨烯-铜结构的纳米材料在电化学传感中具有很好的应用性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种的多级纳米结构石墨烯-铜纳米粒子复合材料；具有此结构的复合材料具更大的比表面积。

本发明的另一目的在于提供一种控制条件简单的可成功的一步合成还原的氧化石墨烯-铜纳米粒子的多级纳米结构的复合材料的制备方法；可有效的减少了氧化石墨烯在还原过程中的石墨化带来的石墨烯比表面减小的缺陷。

一种石墨烯-铜纳米粒子复合材料，在经打磨好的玻碳电极或经过表面处理干纯的纯钛片上，形成具有三维构造无规律多级叠加的石墨烯片层，各个石墨烯片层大小不一，且有不同方向叠加石墨烯片层，部分石墨烯片层有翘起；铜纳米粒子密集的复合在石墨烯片层上。

所述的复合材料是由石墨烯和铜纳米粒子经循环伏安电沉积复合而成。

铜纳米粒子直径为30-70nm。

本发明的一种石墨烯-铜纳米粒子的制备方法是，复合材料由石墨烯和铜纳米粒子经循环伏安电沉积复合而成;所述的循环伏安电沉积的过程是：在电沉积溶液电压首先达到铜的还原电位，此时铜纳米粒子首先沉积，电位继续变化时会达到氧化石墨烯的还原电位，使得氧化石墨烯会在电极表面被还原，并沉积电极表面，通过这一循环，从而使得金属纳米粒子和还原的氧化石墨烯会同时沉积到电极表面并相互作用；重复上述电沉积操作；所述的电沉积溶液为含氧化石墨烯和铜纳米粒子前驱体的混合溶液。

在进行循环伏安电沉积操作前要通入氮气除去溶液中的溶解氧。

所述的循环伏安电沉积是以经过Al₂O₃粉末打磨过的玻碳电极或者经过表面处理的纯钛片为工作电极，以Pt电极或者Pd电极为对电极，饱和甘汞电极（SCE）或者Ag/AgCl电极参比电极。

所述的混合溶液中氧化石墨烯的浓度为0.1-0.5g/L（最优选0.3g/L）；铜纳米粒子前驱体浓度为3-7mM（最优选5mM）。

循环伏安电沉积的电位范围为-1.4～-0.6V。

可将本发明上述方法得到的一种石墨烯-铜纳米粒子，用于制备电化学传感器。

电化学还原的氧化石墨烯和铜纳米粒子相互作用在电极表面沉积形成一种新型的多级纳米结构。

制备氧化石墨烯-铜多级纳米结构的方法：将分散好的石墨烯溶液和铜纳米粒子的前驱体配成规定浓度的混合溶液并且在电沉积操作之前要通入高纯氮30min，将导电基底（之前已经用Al₂O₃粉末打磨好的玻碳电极或者表面已经处理干净的纯钛片）作为工作电极，参比电极，对电极分别按三电极系统安置于配好的混合溶液中，在通入氮气保护和电磁搅拌器搅拌的条件下，利用电沉积的方法将石墨烯已经金属纳米粒子电沉积到基底电极上得到我们所需要的纳米复合材料。

所用仪器为电化学工作站以及电磁搅拌器，所选择的电沉积方式为循环伏安法。