一种基于石墨烯-五氧化二铌的全固态离子选择性电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯‑五氧化二铌的全固态离子选择性电极及其制备方法和应用，所述全固态离子选择性电极包括基体、设置在所述基体表面的转导层，以及覆盖在所述转导层表面的离子选择性膜，所述转导层包括石墨烯‑五氧化二铌纳米复合材料。本发明专利技术以石墨烯‑五氧化二铌纳米复合材料作为固态转导层材料，构建全固态离子选择性电极，能够消除水层的形成，对气体等干扰因素具有良好的抗干扰能力，显著地提升了界面电容，加强固态离子选择性电极的电位稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯-五氧化二铌的全固态离子选择性电极及其制备方法和应用
本专利技术涉及离子选择性电极
，尤其涉及一种基于石墨烯-五氧化二铌的全固态离子选择性电极及其制备方法和应用。
技术介绍
随着现代科学技术的发展，离子分析检测手段也愈加深入。目前已报道的检测方法多样而成熟，主要有原子吸收和发射光谱法、离子色谱法、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)等。然而这些检测技术成本高昂，操作步骤较繁琐，样品需经过复杂的预处理过程及专业人士操作，不适用于批量的实时检测。因此，构建一种可移动式且操作简便、灵敏精确的实时检测体系具有重要意义。基于聚合物膜的全固态离子选择性电极由于响应快、测试便捷及成本低廉等优点，引起了研究者们的广泛关注，这也使得离子选择性电极应用在生物、医疗卫生及环境领域进行实时检测逐渐成为现实。经过数十年的研究，全固态离子选择性电极已经初步应用到临床化验、环境监测以及工业分析等领域。该类电极在实际应用中易于微型化，避免了日常的繁琐保养，耐用性较高。然而，由于离子选择性膜与转导层的电荷转移阻抗和水层的影响，电极的电位稳定性差强人意。在相关技术中，将具有离子-电子转导性能的导电聚合物，如聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)作为固态转导层，虽然能够显著提高电极电位的稳定性，但同时由于水层的存在以及对光和CO2的敏感使得其应用受到了一定限制。碳纳米管、石墨烯和富勒烯等碳基纳米材料可作为新型固体接触层应用于离子选择性电极，也可与导电聚合物复合成纳米材料，可以有效地增大比表面积，提高界面电容，从而降低电位漂移。虽然该类材料导电性好、抗干扰性较强，但是由于其电容仍然较小，并不能很好地消除电位漂移。因此，发展高疏水性、导电性好、高电容转导层材料是当前全固态离子选择性电极研究重点。矿物质元素在人体内具有非常重要的生理功能，是构成人体组织的重要成分，其缺乏或过多均能引发不同类型的疾病。其中，K+、Na+可以促进肌肉收缩，维持心肌功能，调节心血管功能，改善消化系统、心律絮乱等，帮助维持细胞的新陈代谢；浓度过高将会使体液失去平衡，由于钾离子是细胞液中的主要成分，所以摄入过多的钠离子危害特别大，而摄入较多的钾离子对肾功能有一定的危害；Ca2+是一种有利于人体健康的必需常量元素，能够预防骨质疏松症。高Na+、Ca2+的碱性水质利于草酸盐型尿石的形成。近年来，随着人们生活水平的提高，健康饮用水日益受到人们的广泛关注，矿泉水中含有人体必需的矿物质和微量元素，已成为人们普遍接受的长期饮用且能促进人体健康的饮用水。据统计人体80％的疾病是由于饮用不健康的水造成，因此对检测饮用水的研究具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种基于石墨烯-五氧化二铌的全固态离子选择性电极，改善了石墨烯材料电容较小，水层干扰，电位稳定性差的缺点，能够消除水层的形成，具有良好的抗干扰能力和电位稳定性。同时，本专利技术还提供所述全固态离子选择性电极的制备方法和应用。具体地，本专利技术采取如下技术方案：本专利技术的第一方面是提供一种全固态离子选择性电极，包括基体、设置在所述基体表面的转导层，以及覆盖在所述转导层表面的离子选择性膜，所述转导层包括石墨烯-五氧化二铌纳米复合材料。根据本专利技术第一方面的全固态离子选择性电极，至少具有如下有益效果：本专利技术将五氧化二铌(Nb2O5)较大的赝电容和石墨烯良好的导电性以及较大的比表面积相结合，能够获得优异性能的材料。固定在石墨烯纳米片之间的Nb2O5纳米结构可以有效地抑制石墨烯的堆叠，加快离子-电子的响应。因此，本专利技术以石墨烯-五氧化二铌纳米复合材料作为新型固态转导层材料构建的全固态离子选择性电极，提升了界面电容，能够消除水层的形成，对气体等干扰因素具有良好的抗干扰能力，显著加强固态离子选择性电极的电位稳定性。在本专利技术的一些实施方式中，所述石墨烯-五氧化二铌纳米复合材料在所述全固态离子选择性电极中的负载量为0.5～2mg/cm2。在本专利技术的一些实施方式中，所述石墨烯-五氧化二铌纳米复合材料含有还原氧化石墨烯和五氧化二铌，所述五氧化二铌和还原氧化石墨烯的质量比为1：5～10，优选1：6～9。在本专利技术的一些实施方式中，所述离子选择性膜包括钠离子选择性膜、钾离子选择性膜、钙离子选择性膜中的任意一种。在本专利技术的一些实施方式中，所述离子选择性膜在所述全固态离子选择性电极中的负载量为15～25mg/cm2。在本专利技术的一些实施方式中，所述离子选择性膜的制备原料包括：离子载体、高分子聚合物、增塑剂和亲脂性大分子。在本专利技术的一些实施方式中，所述离子载体、高分子聚合物、增塑剂和亲脂性大分子的质量比例为1～4：50～100：100～200：1。在本专利技术的一些实施方式中，所述离子载体包括钠离子载体X、缬氨霉素、钙离子载体I中的任意一种。钠离子载体X、缬氨霉素、钙离子载体I分别用于制备钠离子选择性膜、钾离子选择性膜、钙离子选择性膜。在本专利技术的一些实施方式中，所述高分子聚合物包括聚氯乙烯(PVC)、聚醋酸乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种或多种。在本专利技术的一些实施方式中，所述增塑剂包括癸二酸二异辛酯(DOS)、2-硝基苯辛醚、双(2-乙基己基)癸二酸酯中的任意一种或多种。在本专利技术的一些实施方式中，所述亲脂性大分子包括四(4-氯苯基)硼酸钾(KTClPB)、四(五氟苯基)硼酸钾(KTPFB)、四苯硼钠中的任意一种或多种。在本专利技术的一些实施方式中，所述基体可采用本领域通用的电极基体，例如玻碳、铜等。本专利技术的第二方面是提供上述全固态离子选择性电极的制备方法，包括如下步骤：将含有石墨烯-五氧化二铌纳米复合材料的浆料涂覆在基体表面，干燥形成转导层；在所述转导层的表面制备离子选择性膜。在本专利技术的一些实施方式中，所述石墨烯-五氧化二铌纳米复合材料由如下方法制得：将铌盐与氧化石墨烯混合，进行水热反应，得到石墨烯-五氧化二铌纳米复合材料。在本专利技术的一些实施方式中，所述铌盐为水溶性铌盐，包括五氯化铌、五氟化铌中的任意一种或多种。在本专利技术的一些实施方式中，所述水热反应的温度为150～200℃；水热反应的时间为2～10h。在本专利技术的一些实施方式中，所述铌盐与氧化石墨烯的质量比为1：5～10，优选1：6～9。在本专利技术的一些实施方式中，所述氧化石墨烯在水热反应的反应体系中的浓度为0.5～3mg/ml。在本专利技术的一些实施方式中，所述浆料的制备原料包括石墨烯-五氧化二铌纳米复合材料、粘结剂、浆料溶剂；所述石墨烯-五氧化二铌纳米复合材料和粘结剂的质量比为1：0.1～0.5，所述石墨烯-五氧化二铌纳米复合材料和粘结剂在浆料中的浓度为10～30mg/ml。所述粘结剂和浆料溶剂可采用本领域通用的粘结剂以及溶剂，作为示例，所述粘结剂包括聚偏氟乙烯树脂(PVDF)、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素(CMC)、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全固态离子选择性电极，其特征在于：包括基体、设置在所述基体表面的转导层，以及覆盖在所述转导层表面的离子选择性膜，所述转导层包括石墨烯-五氧化二铌纳米复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种全固态离子选择性电极，其特征在于：包括基体、设置在所述基体表面的转导层，以及覆盖在所述转导层表面的离子选择性膜，所述转导层包括石墨烯-五氧化二铌纳米复合材料。


2.根据权利要求1所述全固态离子选择性电极，其特征在于：所述石墨烯-五氧化二铌纳米复合材料在所述全固态离子选择性电极中的负载量为0.5～2mg/cm2。


3.根据权利要求2所述全固态离子选择性电极，其特征在于：所述石墨烯-五氧化二铌纳米复合材料含有还原氧化石墨烯和五氧化二铌，所述五氧化二铌和还原氧化石墨烯的质量比为1：5～10，优选1：6～9。


4.根据权利要求1所述全固态离子选择性电极，其特征在于：所述离子选择性膜包括钠离子选择性膜、钾离子选择性膜、钙离子选择性膜中的任意一种。


5.根据权利要求4所述全固态离子选择性电极，其特征在于：所述离子选择性膜在所述全固态离子选择性电极中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛利，邱世平，甘世宇，钟丽杰，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：广东;44