本发明专利技术涉及一种金纳米粒子/三维石墨烯复合电极的制备及应用。本发明专利技术是要解决现有材料在检测多巴胺和尿酸时灵敏度低和选择性差的问题。本发明专利技术主要包括：一、液相还原法制备镍纳米粒子；二、化学气相沉积法制备三维石墨烯；三、自组装法制备金纳米粒子/三维石墨烯复合材料。本发明专利技术制备的一种金纳米粒子/三维石墨烯复合材料具有比表面积大、电导率高、电催化性能和生物相容性好等优点，可以作为电极材料检测多巴胺和尿酸。
Preparation and Application of a Gold Nanoparticle/Three-Dimensional Graphene Composite
The invention relates to the preparation and application of a gold nanoparticle/three-dimensional graphene composite electrode. The invention aims to solve the problems of low sensitivity and poor selectivity of existing materials in detecting dopamine and uric acid. The invention mainly includes: 1. preparation of nickel nanoparticles by liquid phase reduction; 2. preparation of three-dimensional graphene by chemical vapor deposition; 3. preparation of gold nanoparticles/three-dimensional graphene composite by self-assembly. The gold nanoparticle/three-dimensional graphene composite prepared by the invention has the advantages of large specific surface area, high conductivity, good electrocatalytic performance and biocompatibility, and can be used as an electrode material to detect dopamine and uric acid.
【技术实现步骤摘要】
一种金纳米粒子/三维石墨烯复合材料的制备及应用
本专利技术涉及一种金纳米粒子/三维石墨烯复合材料的制备及应用。
技术介绍
金纳米粒子（AuNPs）是指尺寸在1-100nm之间的微小金颗粒，因为其尺寸达到纳米级别，表现出与块状金不同的理化性质。金纳米粒子除了表现出小尺寸效应等纳米材料普遍具有的性质之外，还具有表面等离子体共振特性、优异的催化性能和生物相容性。伴随着这些独特的理化性质，研究人员已经将其应用在生物医学，传感检测和催化反应等多个领域。当金纳米粒子作为生物分子检测的探针时，可以有效地对电化学传感器进行信号放大，增加灵敏度，降低检测限，纳米级的金颗粒由于表面能太高，粒子之间容易吸附造成团聚，通常保存在柠檬酸钠溶液中。石墨烯是具有单个碳原子厚度的二维材料，是构成其他维度碳材料的基本单元。二维石墨烯纳米片已被证明是一种有前途的材料，然而二维石墨烯的实际应用性能远远低于所预期的性能。这种性能的降低主要是由于石墨烯层片之间强π-π键的共轭作用和范德华力相互作用，以及片材缺陷和不适当的分散造成的堆叠和团聚引起的。因此，如何有效地利用石墨烯的特性，成为世界各国研究者面临的重大机遇和挑战。将二维石墨烯片组装成三维结构是解决石墨烯应用问题有效方法。三维石墨烯材料不仅保留石墨烯固有的突出特性，而且相对于二维石墨烯，三维石墨烯因为其高度互连的多孔网络结构，具有更大的比表面积，电子传输性能更好，能够负载更多的生物分子。三维石墨烯还是良好的载体，可以在其表面积上生长附着其他物质得到复合材料，这也大大的拓展了三维石墨烯的应用范围。将金纳米粒子与三维石墨烯结合，可以利用二者的协同作用，提高生物传感器的性能。多巴胺（2-（3，4-二羟基苯基）乙胺，dopamine，DA）是人体中重要的儿茶酚类神经递质，可以调节机体免疫反应，在学习、记忆以及药物成瘾过程中起着关键作用。当人体内多巴胺含量较低时，轻则会影响人的情绪，导致记忆力减退，重则会导致人们患上帕金森症、癫痫、阿尔兹海默氏症等疾病。人体内DA含量过多时，会使人们处于持续亢奋状态，甚至对某些事物上瘾，成为“瘾君子”。尿酸（7，9-二氢-2，6，8（3H）三酮-1H嘌呤，Uricacid，UA）也是一种重要的生物分子，存在于血液和尿液中。UA水平异常也会导致一些疾病发生，如痛风、莱希-尼汉综合征、高尿酸症等。DA和UA都是非常重要的生物分子，它们通常人体中共存，因此如精确的检测DA和UA，无论是在生理功能研究还是在临床应用方面都具有重要的实际意义。
技术实现思路
本专利技术是要解决二维石墨烯容易堆叠和团聚，与溶液接触面积，在检测多巴胺和尿酸时灵敏度低和选择性差的问题，开发一种金纳米粒子/三维石墨烯复合材料用于检测多巴胺和尿酸，复合材料的制备按以下步骤进行：一、液相还原法制备镍纳米粒子1）首先，称取23.77-47.54g氯化镍溶于27.9-55.8mL去离子水中，形成透明的浅绿色溶液，随后缓慢加入25.03-50.06mL的水合肼，溶液变为紫色，此时由于水合肼与氯化镍之间形成络合物发生放热反应，溶液温度升到60℃，步骤一1）中的反应是在50℃水浴加热条件下进行的，其中水浴缸放置在磁力搅拌器上，搅拌速率为200-400r/min；步骤一1）中水合肼的质量分数为80%；2）待溶液温度重新降至50℃后，加入32-64mL的氢氧化钠溶液，溶液颜色变为浅绿色，随着反应的进行，有黑色物质产生，最后完全变黑，反应4h后溶液底部出现黑色沉淀，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）中得到的黑色沉淀分别用去离子水和乙醇清洗，然后抽滤，最后在60-100℃真空干燥1-2h，得到镍纳米粒子；二、化学气相沉积法制备三维石墨烯1）首先称取0.6-1g镍纳米粒子松装在陶瓷模具中，置于管式炉中间，在氩气和氢气的保护下从室温以10-30℃/min的升温速率加热至温度为800-1100℃，并在温度为800-1100℃的条件下保温10-40mins，此时镍纳米粒子已经烧结成多孔三维镍模板，然后在温度为800-1100℃的条件下，向管式炉中以5-20sccm的流速通入甲烷气体10-30mins，然后将石英管式炉以100-160℃/min的冷却速率从温度为800-1100℃冷却至室温，此时石墨烯包覆在三维镍模板表面；步骤二1）中所述的陶瓷模具，由陶瓷板和陶瓷圈组合而成，其中陶瓷圈外径为26.3mm，内径为18.2mm，厚度为3mm；步骤一1）中所述的氩气的流速为300-500sccm，氢气的流速为180-220sccm；2）将被石墨烯包覆的三维镍模板完全浸泡在温度为60-90℃、浓度为2-3mol/L的盐酸溶液中，浸泡8-15h后完全去除镍模板，然后将得到的去除镍的三维石墨烯转移到干净的ITO玻璃上，冷冻干燥0.2-0.5h，得到三维石墨烯材料；三、自组装法制备金纳米粒子/三维石墨烯复合材料1）步骤二2）中得到的三维石墨烯，浸泡在浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液中，浸泡16-24h，使三维石墨烯表面带有含氧官能团，使用去离子水清洗数次，然后转移到ITO玻璃上，冷冻干燥0.2-0.5h，步骤三1）中所述的混酸溶液体积比为，浓HNO3:浓H2SO4=1:3；2）将羧基金纳米粒子滴加到步骤二2）中得到的带有含氧官能团的三维石墨烯表面，直至金纳米粒子完全浸透带有含氧官能团的三维石墨烯，羟基和羧基自组装结合，将金纳米粒子连接到石墨烯表面，得到三维石墨烯-金纳米粒子复合材料。本专利技术的优点：（1）本专利技术方法通过液相还原法制备出镍纳米粒子，然后以镍纳米粒子为模板通过化学气相沉积法制备出高质量、比表面积大、生物相容性好的的三维石墨烯；然后以三维石墨烯为载体，通过自组装的方法，将金颗粒结合到石墨烯表面，得到金纳米粒子/三维石墨烯复合材料；（2）本专利技术制备出的金纳米粒子/三维石墨烯复合材料，比表面积大，电催化性能好，金纳米粒子均匀地分布在三维石墨烯表面。附图说明图1是制备的镍纳米粒子的扫描电镜照片；图2是金纳米粒子/三维石墨烯复合材料放大10000倍和100000倍的扫描电镜照片；图3是金纳米粒子/三维石墨烯复合材料放大200000倍的扫描电镜照片；图4是金纳米粒子/三维石墨烯复合材料的EDX图谱；图5是金纳米粒子/三维石墨烯复合材料的X射线衍射图谱；图6是金纳米粒子/三维石墨烯/ITO电极检测不同浓度DA的DPV曲线；图7是金纳米粒子/三维石墨烯/ITO电极检测不同浓度DA的DPV拟合曲线；图8是金纳米粒子/三维石墨烯/ITO电极检测不同浓度UA的DPV曲线；图9是金纳米粒子/三维石墨烯/ITO电极检测不同浓度UA的DPV拟合曲线；图10是金纳米粒子/三维石墨烯/ITO电极在UA干扰下检测不同浓度DA的DPV曲线；图11是金纳米粒子/三维石墨烯/ITO电极在UA干扰下检测不同浓度DA的DPV拟合曲线；图12是金纳米粒子/三维石墨烯/ITO电极在DA干扰下检测不同浓度UA的DPV曲线；图13是金纳米粒子/三维石墨烯/ITO电极在DA干扰下检测不同浓度UA的DPV拟合曲线；接到石墨烯表面，得到三维石墨烯-金纳米粒子复合材料。具体实施方式具体实施方式一：一种金纳米粒子/三维石墨烯复合材料的制备及应用，其特征在于金纳米粒本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种金纳米粒子/三维石墨烯复合材料的制备及应用，其特征在于金纳米粒子/三维石墨烯复合材料的制备是按以下步骤进行的：一、液相还原法制备镍纳米粒子1）首先，称取23.77‑47.54 g氯化镍溶于27.9‑55.8 mL去离子水中，形成透明的浅绿色溶液，随后缓慢加入25.03‑50.06 mL的水合肼，溶液变为紫色，此时由于水合肼与氯化镍之间形成络合物发生放热反应，溶液温度升到60 ℃，步骤一1）中的反应是在50 ℃水浴加热条件下进行的，其中水浴缸放置在磁力搅拌器上，搅拌速率为200‑400 r/min；步骤一1）中水合肼的质量分数为80%；2）待溶液温度重新降至50 ℃后，加入32‑64 mL的氢氧化钠溶液，溶液颜色变为浅绿色，随着反应的进行，有黑色物质产生，最后完全变黑，反应4 h后溶液底部出现黑色沉淀，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）中得到的黑色沉淀分别用去离子水和乙醇清洗，然后抽滤，最后在60‑100 ℃真空干燥1‑2 h，得到镍纳米粒子；二、化学气相沉积法制备三维石墨烯1）首先称取0.6‑1 g镍纳米粒子松装在陶瓷模具中，置于管式炉中间，在氩气和氢气的保护下从室温以10‑30 ℃/min 的升温速率加热至温度为800‑1100 ℃，并在温度为800‑1100 ℃的条件下保温10‑40 mins，此时镍纳米粒子已经烧结成多孔三维镍模板，然后在温度为800‑1100 ℃的条件下，向管式炉中以5‑20 sccm的流速通入甲烷气体10‑30 mins，然后将石英管式炉以100‑160 ℃/min 的冷却速率从温度为800‑1100 ℃冷却至室温，此时石墨烯包覆在三维镍模板表面；步骤二1）中所述的陶瓷模具，由陶瓷板和陶瓷圈组合而成，其中陶瓷圈外径为26.3 mm，内径为18.2 mm，厚度为3 mm；步骤一1）中所述的氩气的流速为300‑500 sccm，氢气的流速为180‑220 sccm；2）将被石墨烯包覆的三维镍模板完全浸泡在温度为60‑90 ℃、浓度为2‑3 mol/L的盐酸溶液中，浸泡8‑15 h后完全去除镍模板，然后将得到的去除镍的三维石墨烯转移到干净的ITO玻璃上，冷冻干燥0.2‑0.5 h，得到三维石墨烯材料；三、自组装法制备金纳米粒子/三维石墨烯复合材料1）步骤二2）中得到的三维石墨烯，浸泡在浓硝酸和浓硫酸的混酸溶液中，浸泡16‑24 h，使三维石墨烯表面带有含氧官能团，使用去离子水清洗数次，然后转移到ITO玻璃上，冷冻干燥0.2‑0.5 h，步骤三1）中所述的混酸溶液体积比为，浓HNO3:浓H2SO4=1:3；2）将羧基金纳米粒子滴加到步骤二 2）中得到的带有含氧官能团的三维石墨烯表面，直至金纳米粒子完全浸透带有含氧官能团的三维石墨烯，羟基和羧基自组装结合，将金纳米粒子连接到石墨烯表面，得到三维石墨烯‑金纳米粒子复合材料。...
【技术特征摘要】
1.一种金纳米粒子/三维石墨烯复合材料的制备及应用，其特征在于金纳米粒子/三维石墨烯复合材料的制备是按以下步骤进行的：一、液相还原法制备镍纳米粒子1）首先，称取23.77-47.54g氯化镍溶于27.9-55.8mL去离子水中，形成透明的浅绿色溶液，随后缓慢加入25.03-50.06mL的水合肼，溶液变为紫色，此时由于水合肼与氯化镍之间形成络合物发生放热反应，溶液温度升到60℃，步骤一1）中的反应是在50℃水浴加热条件下进行的，其中水浴缸放置在磁力搅拌器上，搅拌速率为200-400r/min；步骤一1）中水合肼的质量分数为80%；2）待溶液温度重新降至50℃后，加入32-64mL的氢氧化钠溶液，溶液颜色变为浅绿色，随着反应的进行，有黑色物质产生，最后完全变黑，反应4h后溶液底部出现黑色沉淀，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）中得到的黑色沉淀分别用去离子水和乙醇清洗，然后抽滤，最后在60-100℃真空干燥1-2h，得到镍纳米粒子；二、化学气相沉积法制备三维石墨烯1）首先称取0.6-1g镍纳米粒子松装在陶瓷模具中，置于管式炉中间，在氩气和氢气的保护下从室温以10-30℃/min的升温速率加热至温度为800-1100℃，并在温度为800-1100℃的条件下保温10-40mins，此时镍纳米粒子已经烧结成多孔三维镍模板，然后在温度为800-1100℃的条件下，向管式炉中以5-20sccm的流速通...
【专利技术属性】
技术研发人员：岳红彦，王钊，俞泽民，高鑫，关恩昊，王婉秋，宋姗姗，张宏杰，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23
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