一种氮硫共掺杂有序介孔碳材料的制备方法、电极片及应用技术

本发明专利技术公开了一种氮硫共掺杂有序介孔碳材料的制备方法、电极片及应用，通过选取单一碳源作为氮硫共掺杂剂，可有效地实现了介孔碳材料的均匀掺杂，从而避免了多种碳源造成的异质原子掺杂不均一的现象。与碳纳米管和石墨烯相比，所制备的氮硫共掺杂有序介孔碳展现了更高的电催化活性。以氮硫共掺杂有序介孔碳涂覆制备的电极片可有效检测河水样品中的氨基三唑，其检测限较低并获得了令人满意的回收率。

Preparation, Electrode Sheet and Application of a Nitrogen-Sulfur Co-doped Ordered Mesoporous Carbon Material

【技术实现步骤摘要】
一种氮硫共掺杂有序介孔碳材料的制备方法、电极片及应用
本专利技术涉及介孔材料
，特别是涉及一种氮硫共掺杂有序介孔材料的制备方法，以及利用该有序介孔材料制成的电极片和用该电极片检测水体中氨基三唑的应用。
技术介绍
目前国内外可以实现氨基三唑定量、准确检测的方法主要包括：液相色谱、气相色谱及毛细管电泳等。但是，在这些方法中，有些存在仪器价格昂贵，运行费用高，不易携带等缺点，有些则需要复杂的前处理。因此，不易实现在线、实时、连续的生物分子检测。电化学方法(即电化学传感器)易于实现自动化、便携化，有望实现在线、实时、连续的污染物检测。已被证明，在生物分子检测方面，该方法有高的准确性和低的检测限。此外，对于实际样品检测来说，电化学传感器也给出了令人满意的结果。工作电极作为电化学传感器的核心部件，决定着传感器的传感性能如检测限、稳定性、灵敏度和线性范围等。因此，获得具有高电催化活性和长期稳定性的工作电极材料是获得稳定、高效的电化学传感器的前提。近来，一些新型的纳米材料已被用于修饰传感界面，研究氨基三唑在传感界面的电化学行为，实现了生物分子的灵敏检测。目前开发新型纳米电极材料用于生物分析检测已成为无机化学、材料化学及分析化学等领域的热点之一。碳材料电化学是一个飞速发展的领域。碳材料具有电位窗口宽、生物相容性好、成本低、电催化活性高、酸碱稳定性高等优异特性。其中，石墨烯和碳纳米管已经被广泛用于传感识别元件(工作电极)的制作、电催化有机小分子、生物小分子，展现了良好的传感性能。但是，大多数的石墨烯和碳纳米管在合成时由于使用了金属催化剂，材料表面会含有残留的金属催化剂导致碳材料不纯，传感性能不稳定。较于石墨烯和碳纳米管，有序介孔碳材料主要是以纳米浇铸的方法合成的。其在合成过程中，通常使用介孔二氧化硅作硬模板、酸作催化剂，避免了金属不纯物的残留。更重要的是，其高比表面和开放的孔结构能提供一个扩大化的传感界面，可被直接用在电化学和生物传感领域。现今，已经有证据表明，有序介孔碳比石墨烯和碳纳米管展现了更迷人的电催化性能。此外，一些科研人员通过在有序介孔碳表面引入异质原子(如N、S等)，增加电化学活性点位，提高其电化学传感性能。例如科研人员使用吡咯作为碳源合成了高有序的氮掺杂介孔碳电催化剂，证实氮的加入增加了N-C电化学活性点位，进而展现了迷人的电催化氧还原的性能。也有科研人员使用二苄基二硫作为硫源，蔗糖作为碳源通过硬模板的方法合成了高有序的硫掺杂介孔碳材料。将此材料修饰到玻碳电极上，通过电化学性能测试，他们发现C-S-C成分能极大地增加介孔碳材料的电化学活性，提高其电催化性能。这些为提高有序介孔碳材料提供了有意义的探索。目前，也有课题组利用分别含有氮源和硫源的两种碳源混合，进行氮硫共掺杂介孔碳制备，但是此类制备过程硫掺杂量低，且掺杂不均匀。
技术实现思路
本专利技术目的在于发展了一种以单一物质为碳源，通过纳米浇筑方法制备氮硫共掺杂有序介孔碳材料的方法，采用有序介孔二氧化硅SBA-15作为硬模板，将单一的亚甲基蓝溶液孕注到SBA-15的介孔孔道内，通过低温预碳化和高温碳化后，得到碳/二氧化硅纳米复合物。随后使用氢氟酸将SBA-15模板去除，得到有序介孔氮硫共掺杂碳材料。通过选取单一碳源作为氮硫共掺杂剂，可有效地实现了介孔碳材料的均匀掺杂，从而避免了多种碳源造成的异质原子掺杂不均一的现象。与碳纳米管和石墨烯相比，所制备的氮硫共掺杂有序介孔碳展现了更高的电催化活性本专利技术的另一目的是利用该氮硫共掺杂有序介孔材料制成一种电极片以及利用该电极片检测水体中氨基三唑的应用，一种氮硫共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：首先，分别称取0.1-1.0g亚甲基蓝、浓度为98％的浓硫酸10-60μL和2-10mL水，先将称取的亚甲基蓝加入到水中，制成亚甲基蓝水溶液，然后边搅拌浓硫酸边加入亚甲基蓝水溶液，混合均匀后制成混合液；其次，采用纳米浇注法将混合液注入到0.4-0.8gSBA模板中；再次，将注入混合液的SBA材料进行多段预热处理；然后，将预热处理后的材料在氮气气氛下于700-1000℃加热1-6h；最后，冷却后除去材料中的SBA-15模板，即得到氮硫共掺杂有序介孔材料。优选的，所述多段预热处理时将浇注后的材料首先在100℃烘箱中加热4-8h，再于140-190℃烘箱中加热4-8h。优选的，采用质量浓度为10％-40％HF溶液浸泡处理以除去材料中的SBA-15模板。进一步优选的，所述浸泡时间为12h-36h。一种电极片，将权利要求1制备的氮硫共掺杂有序介孔碳材料涂覆在玻碳电极表面，烘干后制成涂覆层厚度为0.1-5μm的电极片。优选的，所述氮硫共掺杂有序介孔碳材料分散于N,N-二甲基甲酰胺中，制成浓度为0.5-2.5mg/mL的分散液，将该分散液均匀涂覆在玻碳电极表面。所述电极片在检测水体中氨基三唑的应用，将该电极片并与饱和甘汞电极、铂丝电极组成三电极体系，置于含有缓冲溶液的电化学池中，形成电化学检测平台，利用其可实现对含有氨基三唑的水体进行检测。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：通过选取单一碳源作为氮硫共掺杂剂，可有效地实现了介孔碳材料的均匀掺杂，从而避免了多种碳源造成的异质原子掺杂不均一的现象；与碳纳米管和石墨烯相比，所制备的氮硫共掺杂有序介孔碳展现了更高的电催化活性；以氮硫共掺杂有序介孔碳涂覆制备的电极片可有效检测河水样品中氨基三唑，其检测限较低并获得了令人满意的回收率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术制备的氮硫共掺杂有序介孔碳材料的透射电镜图；图2为本专利技术制备的氮硫共掺杂有序介孔碳材料的XPS谱图；图3为本专利技术制备的氮硫共掺杂有序介孔碳材料氮气吸附脱附图；图4为本专利技术制备的氮硫共掺杂有序介孔碳材料孔径分布图；图5为本专利技术制备的氮硫共掺杂有序介孔碳基电极片与石墨烯基电极片、碳纳米管基电极片对氨基三唑电氧化性能的对比图；图6不同浓度氨基三唑在氮硫共掺杂有序介孔碳基电极片上的差示脉冲伏安图；图7为本专利技术制备的电极片对不同浓度的氨基三唑检测的标准曲线。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本专利技术作进一步说明。实施例1一种氮硫共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：首先，分别称取0.5g亚甲基蓝、浓度为98％的浓硫酸30μL和5mL水，先将称取的亚甲基蓝加入到水中，制成亚甲基蓝水溶液，然后边搅拌浓硫酸边加入亚甲基蓝水溶液，混合均匀后制成混合液；其次，采用纳米浇注法将混合液注入到0.5gSBA模板中；再次，将注入混合液的SBA材料进行多段预热处理，首先在100℃烘箱中加热5h，再于150℃烘箱中加热8h；然后，将预热处理后的材料在氮气气氛下于900℃加热3h；最后，冷却后除去材料中的SBA-15模板，采用质量浓度为30％HF溶液浸泡24h以除去材料中的SBA-15模板，即得到氮硫共掺杂有序介孔材料，以下简称N/S-OMC材料，如图1所示为该N/S-OMC材料的TEM图，从图中该材料具有介孔孔道并且孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮硫共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，分别称取0.1‑1.0g亚甲基蓝、浓度为98％的浓硫酸10‑60μL和2‑10mL水，先将称取的亚甲基蓝加入到水中，制成亚甲基蓝水溶液，然后边搅拌浓硫酸边加入亚甲基蓝水溶液，混合均匀后制成混合液；其次，采用纳米浇注法将混合液注入到0.4‑0.8g SBA模板中；再次，将注入混合液的SBA材料进行多段预热处理；然后，将预热处理后的材料在氮气气氛下于700‑1000℃加热1‑6h；最后，冷却后除去材料中的SBA‑15模板，即得到氮硫共掺杂有序介孔材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮硫共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，分别称取0.1-1.0g亚甲基蓝、浓度为98％的浓硫酸10-60μL和2-10mL水，先将称取的亚甲基蓝加入到水中，制成亚甲基蓝水溶液，然后边搅拌浓硫酸边加入亚甲基蓝水溶液，混合均匀后制成混合液；其次，采用纳米浇注法将混合液注入到0.4-0.8gSBA模板中；再次，将注入混合液的SBA材料进行多段预热处理；然后，将预热处理后的材料在氮气气氛下于700-1000℃加热1-6h；最后，冷却后除去材料中的SBA-15模板，即得到氮硫共掺杂有序介孔材料。2.根据权利要求1所述的氮硫共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述多段预热处理时将浇注后的材料首先在100℃烘箱中加热4-8h，再于...

【专利技术属性】
技术研发人员：周生海，许宏波，魏亚军，高晶，
申请(专利权)人：河北民族师范学院，
类型：发明
国别省市：河北,13