[发明专利]原子层沉积法制备石墨烯纳米材料电化学传感器的方法

说明书

技术领域

本发明属于一种电化学传感器，具体涉及一种利用原子层沉积技术制备TiO₂纳米包覆石墨烯材料电化学传感器的方法。

背景技术

石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料, 它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质. 有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一。石墨烯是由碳原子以sp²杂化连接的单原子层构成，容易产生聚集, 为了改善其成型加工性，充分发挥其优良性质，必须对石墨烯进行有效的功能化。另外，通过引入特定的官能团，还可以赋予石墨烯新的功能。纳米TiO₂由于具有明显的表面效应、尺寸效应、量子效应以及表面结构在纳米尺度上的可调性，使其呈现区别于传统材料的许多独特优异性能，从而有着广阔的应用前景，使其成为表面纳米工程及功能化纳米结构制备的一种理想研究对象。为了充分发挥石墨烯的优异性能, 进一步拓展其应用领域, 还需要开发并完善新的功能化方法。传统的石墨烯，碳纳米管等负载TiO₂多采用电镀，化学镀和溶胶凝胶方法对包覆负载质量和厚度很难进行有效控制，而且具有工艺复杂，步骤繁琐等缺陷与不足。

在人们的日常生活pb²⁺不仅是环境中的主要的重金属污染物，并且环境中的微量的Pb²⁺不仅造成环境污染而且还进入生物链后，危害人体的正常生长发育。因此，重金属离子pb²⁺的测量具有十分重要的意义。目前报道中pb²⁺离子测定有电感耦合等离子原子发射法、流动注射火焰原子吸收法、石墨炉原子吸收光谱法、质谱法等等，但是这些方法大多涉及贵重的仪器和复杂的操作。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种成本低廉、操作简便、灵敏度高的电化学传感器的方法。

本发明是利用原子层沉积（ALD）方法制备尺寸、分布、负载量、组成等参数高度可控的TiO₂纳米粒子包覆的石墨烯复合材料（TiO₂/石墨烯），将所制备的TiO₂/石墨烯复合材料修饰到玻碳电极表面制备电化学传感器，最终实现对重金属污染物pb²⁺的灵敏检测。

本发明所采用的技术方案如下：

（1）先用强质子酸处理石墨，形成石墨层间化合物，然后加入强氧化剂对其进行氧化，形成亲水石墨烯氧化物，具体的制备方法见专利200910050334.9； 

（2）将步骤（1）得到的石墨烯氧化物分散于石英片上，放入原子层沉积设备的反应腔，进行TiO₂保护膜的沉积，

设定的沉积参数为：

沉积温度150～300 oC；

反应源：采用TiCl₄和H₂O为前体，前体温度均为室温；

载气：10～50 sccm的高纯氮气；

单循环脉冲、憋气和吹扫时间：首先H₂O脉冲时间为0.1～0.5 s，憋气时间为5～7 s，吹扫时间为10～15 s；然后TiCl₄ 脉冲时间为0.01～0.5 s，憋气时间为5～7 s，吹扫时间为10～15 s，此即完成一次沉积循环，重复此沉积循环即得到不同厚度的TiO₂纳米包覆的石墨烯氧化物产物； 

（3）将TiO₂纳米包覆的石墨烯氧化物产物在H₂含量体积百分比为5-10%的H₂与N₂混合气氛中，于450-600℃还原1.5－2.5小时，即得到TiO₂/石墨烯复合材料；

（4）对玻碳电极分别用1.0、0.3 和 0.05 μm 的 α-Al2O3 粉连续抛光，每次抛光后都分别在乙醇和去离子水中超声8-15min，最后玻碳电极用离子水进行冲洗干净备用；　　　　　

（5）将TiO₂/石墨烯复合材料与全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物（Nafion）配制成浓度为0.8-2.0 mg/mL混合液，按混合溶液：玻碳电极表面积=3-10μL：12mm²，将混合溶液滴涂在玻碳电极表面，在红外灯下烘干，得到玻碳电极电化学传感器。

本发明制备玻碳电极电化学传感器用于测定Pb²⁺