一種石墨烯摻雜材料的制備方法與應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及石墨烯摻雜材料技術領域，尤其涉及一種石墨烯摻雜材料的制備方法與應用。
【背景技術】
[0002]納米材料因為具有較高比表面積、優(yōu)異的物理性能和極微小性，使得納米材料成為生物傳感器研制方面最具影響力的材料。因此，如何利用納米材料研制出具有高靈敏度、好的選擇性以及能夠快速響應和功能各異的生物傳感器，是目前研究的一個熱點。在眾多的納米材料中，石墨烯具有優(yōu)良的力學性能、導電性能、表面性能及獨特的電化學性質，因而被廣泛應用于電化學分析、生物傳感器等研究領域。石墨烯修飾電極具有大的比表面積，且表面帶有較多功能基團，可以對某些物質的電化學行為產生特有的催化效應。此外，石墨烯還可以通過非共價吸附或共價鍵合方式組裝蛋白質和酶分子，其優(yōu)良的導電性能會很好地促進生物電活性分子的電子傳遞，是一種良好的生物傳感器的材料。在過去的幾年中，石墨烯已經成為了備受矚目的國際研究前沿和熱點。目前，科學家們已經對石墨烯在納米電子器件、低溫超導材料、超級電容器、顯微濾網和傳感器等方面的應用進行了廣泛而深入的研究。在石墨烯的眾多應用研究中，將其應用于生物傳感器的搭建，是近幾年才剛剛興起的熱點方向。
[0003]石墨烯作為一種新型的納米材料，由于其獨特的二維結構、超大的比表面積、優(yōu)良的力學、電學及電化學性質，近幾年在電化學催化和傳感方面得到廣泛研究，實驗表明石墨烯在許多方面都表現出了明顯優(yōu)越于碳納米管的活性，是一種很有前途的傳感器基底材料。異質原子摻雜的石墨烯可以拓展石墨烯材料的應用范圍。因此除了改變形貌外，其它元素的摻雜也是一種調變石墨烯性質和擴大應用范圍的手段，如何生產一種制備速度快，純度高，比表面積大，成本低廉的石墨烯摻雜材料成為目前繼續(xù)解決的技術問題。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明提出了一種石墨烯摻雜材料的制備方法與應用，制備速度快，純度高，比表面積大，成本低廉，易于獲得，可用于電催化和生物傳感。
[0005]本發(fā)明提出的一種石墨烯摻雜材料的制備方法，包括如下步驟:
51、光譜純的石墨棒作為電弧爐的兩極交流放電，兩極的石墨棒直徑均為6-8_，電弧爐爐壁用循環(huán)水冷卻，其中反應氣氛為氮氣和氫氣的混合氣，待兩極石墨棒消耗完收集產物，灼燒，得到第一預制料；
52、將三聚氰胺、葡萄糖混合均勻放入坩禍中，烘干，送入加熱爐中，升溫至600-640°C，保溫2-6h，降溫至室溫，送入至管式爐中，氬氣保護下升溫至120-150°C保溫20-50min，升溫至700-750°C保溫l_3h，自然冷卻至室溫，得到第二預制料；
53、將第一預制料、第二預制料、高錳酸鉀送入由濃硫酸和濃硝酸組成的混合溶液中，冰水浴攪拌升溫至70-8(TC，加入過氧化氫溶液攪拌，過濾，洗滌，加入去離子水，超聲，送入真空烘箱中加熱，得到氧化石墨烯；
S4、將氧化石墨烯、Si02、去離子水中混合攪拌，過濾，送入真空烘箱中加熱，送入混合氣氛中，其中混合氣由氨氣和氬氣組成，升溫至600-700°C保持80_90min，氬氣氛下自然降溫至室溫，送入HF酸溶液中攪拌，真空抽濾，去離子水洗滌至中性，送入真空烘箱中加熱，得到石墨烯摻雜材料。
[0006]優(yōu)選地，在SI中，光譜純的石墨棒作為電弧爐的兩極交流放電，兩極的石墨棒直徑均為6-8mm，電弧爐爐壁用循環(huán)水冷卻，其中反應氣氛為氮氣和氫氣的混合氣，氮氣和氫氣的體積比為1-1.5:2-4，壓力為500-540Torr，電流為180-200A ;待兩極石墨棒消耗完收集產物，空氣中500-600°C灼燒l_2h，得到第一預制料。
[0007]優(yōu)選地，在S2中，按重量份將5-10份三聚氰胺、0.1-0.7份葡萄糖混合均勻放入坩禍中，烘干，送入加熱爐中，升溫至600-640°C，保溫2-6h，降溫至室溫，送入至管式爐中，氬氣保護下升溫至120-150°C保溫20-50min，升溫至700_750°C保溫l_3h，自然冷卻至室溫，得到第二預制料。
[0008]優(yōu)選地，在S3中，按重量份將10-30份第一預制料、10-30份第二預制料、1-3份高錳酸鉀送入由20-40份濃硫酸和20-30份濃硝酸組成的混合溶液中，冰水浴攪拌10-30min，升溫至70-80°C，加入2-8份濃度為20-25wt%的過氧化氫溶液攪拌5_16min，過濾，洗滌，加入30-50份去離子水，超聲，超聲功率為600W，超聲時間為20-50min，送入70_80°C真空烘箱中加熱10-20h，得到氧化石墨烯。
[0009]優(yōu)選地，在S4中，按重量份將20-35份氧化石墨烯、1-4份Si02、30_50份去離子水中混合攪拌l_3h，過濾，送入65-75°C真空烘箱中加熱20_30h，送入混合氣氛中，其中混合氣由10-30份氨氣和5-15份氬氣組成，升溫至600-700°C保持80_90min，在氬氣氛下自然降溫至室溫，送入HF酸溶液中攪拌12 h，真空抽濾，去離子水洗滌至中性，送入65-75°C真空烘箱中加熱20-40h，得到石墨烯摻雜材料。
[0010]優(yōu)選地，所述的石墨烯摻雜材料的制備方法，包括如下步驟:
51、光譜純的石墨棒作為電弧爐的兩極交流放電，兩極的石墨棒直徑均為6-8mm，電弧爐爐壁用循環(huán)水冷卻，其中反應氣氛為氮氣和氫氣的混合氣，氮氣和氫氣的體積比為1-1.5:2-4，壓力為500-540Torr，電流為180-200A ;待兩極石墨棒消耗完收集產物，空氣中500-600°C灼燒l_2h，得到第一預制料；
52、按重量份將5-10份三聚氰胺、0.1-0.7份葡萄糖混合均勻放入坩禍中，烘干，送入加熱爐中，升溫至600-640°C，保溫2-6h，降溫至室溫，送入至管式爐中，氬氣保護下升溫至120-150°C保溫20-50min，升溫至700_750°C保溫l_3h，自然冷卻至室溫，得到第二預制料；
53、按重量份將10-30份第一預制料、10-30份第二預制料、1-3份高錳酸鉀送入由20-40份濃硫酸和20-30份濃硝酸組成的混合溶液中，冰水浴攪拌10-30min，升溫至70-80°C，加入2-8份濃度為20-25wt%的過氧化氫溶液攪拌5_16min，過濾，洗滌，加入30-50份去離子水，超聲，超聲功率為600W，超聲時間為20-50min，送入70-80°C真空烘箱中加熱10-20h，得到氧化石墨烯；
54、按重量份將20-35份氧化石墨烯、1-4份Si02、30-50份去離子水中混合攪拌l_3h，過濾，送入65-75°C真空烘箱中加熱20-30h，送入混合氣氛中，其中混合氣由10-30份氨氣和5-15份氬氣組成，升溫至600-700 °C保持80_90min，在氬氣氛下自然降溫至室溫，送入HF酸溶液中攪拌12 h，真空抽濾，去離子水洗滌至中性，送入65-75°C真空烘箱中加熱20-40h，得到石墨稀摻雜材料。
[0011]一種石墨烯摻雜材料的應用，可用于電催化與生物傳感。
[0012]本發(fā)明生產成本低，制備速度較快，且產物純度高，在石墨烯中摻入氮，由于吡咯氮是五元環(huán)，而石墨烯在沒摻氮前都為六元環(huán)，這樣就會使得氮摻雜石墨烯產生褶皺，在氧化石墨烯的片層間加入一定量的納米物質，再通過一定手段除去納米物質，這樣能大大降低石墨烯片層發(fā)生堆疊。制品比表面積極高。通過在制備的過程中引入二氧化硅微球，制品比表面積極高。另外采用葡萄糖為含碳前驅體，三聚氰胺含碳氮前驅體，價格低廉，易于獲得，且無需經過特殊處理，有效降低了氮摻雜石墨烯的制造成本，適合于大規(guī)模生產。本發(fā)明制備速度快，純度高，比表面積大，成本低廉，易于獲得，可用于電催化和生物傳感。
【具體實施方式】
[0013]下面，通過具體實施例對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。
[0014]實施例1
一種石墨烯摻雜材料的制備方法，包括如下步驟:
51、光譜純的石墨棒作為電弧爐的兩極交流放電，兩極的石墨棒直徑均為7_，電弧爐爐壁用循環(huán)水冷卻，其中反應氣氛為氮氣和氫氣的混合氣，待兩極石墨棒消耗完收集產物，灼燒，得到第一預制料；
52、將三聚氰胺、葡萄糖混合均勻放入坩禍中，烘干，送入加熱爐中，升溫至620°C，保溫5h，降溫至室溫，送入至管式爐中，氬氣保護下升溫至145°C保溫32min，升溫至720°C保溫2h，自然冷卻至室溫，得到第二預制料；
53、將第一預制料、第二預制料、高錳酸鉀送入由濃硫酸和濃硝酸組成的混合溶液中，冰水浴攪拌升溫至76°C，加入過氧化氫溶液攪拌，過濾，洗滌，加入去離子水，超聲，送入真空烘箱中加熱，得到氧化石墨烯；
54、將氧化石墨烯、Si02、去離子水中混合攪拌，過濾，送入真空烘箱中加熱，送入混合氣氛中，其中混合氣由氨氣和氬氣組成，升溫至620°C保持84min，氬氣氛下自然降溫至室溫，送入HF酸溶液中攪拌，真空抽濾，去離子水洗滌至中性，送入真空烘箱中加熱，得到石墨烯摻雜材料。
[0015]實施例2
一種石墨烯摻雜材料的制備方法，包括如下步驟:
51、光譜純的石墨棒作為電弧爐的兩極交流放電，兩極的石墨棒直徑均為6_，電弧爐爐壁用循環(huán)水冷卻，其中反應氣氛為氮氣和氫氣的混合氣，氮氣和氫氣的體積比為1.5:2，壓力為540Torr，電流為180A ;待兩極石墨棒消耗完收集產物，空氣中600°C灼燒lh，得到第一預制料；
52、按重量份將10份三聚氰胺、0.1份葡萄糖混合均勻放入坩禍中，烘干，送入加熱爐中，升溫至640°C，保溫2h，降溫至室溫，送入至管式爐中，氬氣保護下升溫至150°C保溫20min，升溫至750°C保溫lh，自然冷卻至室溫，得到第二預制料；
53、按重量份將30份第一預制料、10份第二預制料、3份高錳酸鉀送入由20份濃硫酸和30份濃硝酸組成的混合溶液中，冰水浴攪拌lOmin，升溫至80°C，加入2份濃度為25wt%的過氧化氫溶液攪拌5min，過濾，洗滌，加入50份去離子水，超聲，超聲功率為600W，超聲時間為20min，送入80°C真空烘箱中加熱10h，得到氧化石墨稀；
S4、按重量份將35份氧化石墨烯、I份Si02、50份去離子水中混合攪拌lh，過濾，送入