[发明专利]氮掺杂碳纳米管@碳纳米纤维复合材料的制备及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂碳纳米管@碳纳米纤维复合材料的制备及其应用。

背景技术

目前，随着人们生活水平的提高，糖尿病的发病率呈上升趋势。而人体血液中葡萄糖含量的测量可用以揭示糖尿病的严重程度，监控血糖水平。因此，发展能够快速、简便、灵敏地检测低浓度葡萄糖的方法，具有十分重要的意义。

近年来，绝大多数葡萄糖生物传感器采用在电极表面固载葡萄糖氧化酶的方法来制备，以期获得高灵敏度和高选择性的传感器。而葡萄糖氧化酶的高活性、高负载量固载是构筑葡萄糖传感器的关键步骤之一。长期以来，人们一直在努力探索各种新型生物固载材料。碳纳米材料，如碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维等以其大的比表面积、高的导电性和良好的化学稳定性等优点吸引了广泛的关注。而在碳纳米管中掺杂氮原子，可进一步增大其比表面积、边缘缺陷位点及生物相容性。因此，基于氮掺杂碳纳米管的研究掀起了新的研究热潮。然而，氮掺杂碳纳米管在使用前通常需要进行一些功能化处理（如强酸氧化、共价键修饰和表面活性剂处理等），以提高其纯度和分散性。此功能化处理可能会降低其导电性及吸附性。另外，氮掺杂碳纳米管作为一种无序粉体材料, 它在应用时由于互相堆叠会降低其比表面积，降低其电化学性能。

将氮掺杂碳纳米管组装成三维结构，由于其更多有序的孔隙结构和电子传输通道，使其具有更大的比表面积及更快的电子传输速率，是电化学传感器领域极具吸引力的新型纳米材料。利用半导体（如硅片, 石英玻璃等）作为基底生长三维氮掺杂碳纳米管的报道屡见不鲜。然而，将三维氮掺杂碳纳米管从半导体上转移到电极上是一个相当复杂的工艺过程，且容易破坏其原有的三维结构。为此，需要进一步改进三维氮掺杂碳纳米管的制备工艺。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种全碳基三维氮掺杂碳纳米管@碳纳米纤维复合材料的制备及其应用。

一、本发明所述三维氮掺杂碳纳米管@碳纳米纤维复合材料制备方法为：

1、将5～10 wt.%的聚丙烯腈与5～12 wt.%乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴或乙酰丙酮镍溶解于无水二甲基甲酰胺溶剂中；

2、将上述混合溶液进行电纺处理0.5～2 h，电纺的电场强度为50～80 kV/m，电纺装置中的喷丝头和收集板的间距为20～40 cm，得到含铁、钴或镍前体的聚丙烯腈复合纤维膜，再将所得到的复合纤维膜放入炉管中，经200-300 ℃退火处理2-5 h，得到氧化复合纤维；

3、将上述氧化复合纤维在氩气氛中以4～6 ℃/min的速度升到750～950 ℃并保持1 h，得到负载铁、钴或镍纳米粒子的碳纳米纤维复合材料；

4、以上述碳纳米纤维复合材料为碳基底，调节氩气的流量为100～250 sccm，再充入氢气并调节其流量为30～100 sccm，注射吡啶、乙二胺或二乙胺为氮源和碳源，注射时间10-60 min，反应结束后，在氩气氛中降至室温, 得到三维氮掺杂碳纳米管@碳纳米纤维复合材料；

5、所述三维氮掺杂碳纳米管以“准阵列”形式分布在碳纳米纤维的表面，氮掺杂碳纳米管的形状是管状，其直径为20-80纳米，长度为3-10微米。

二、本发明所制得的三维氮掺杂碳纳米管@碳纳米纤维复合材料应用：

用三维氮掺杂碳纳米管@碳纳米纤维复合材料制备葡萄糖氧化酶电极，其步骤如下：

1、将制得的三维氮掺杂碳纳米管@碳纳米纤维复合材料薄膜剪成与玻碳电极表面积相等，直接贴于玻碳电极表面，滴加4-6μL无水乙醇于复合材料薄膜表面，室温下干燥后得到氮掺杂碳纳米管@碳纳米纤维复合材料修饰的玻碳电极；

2、将葡萄糖氧化酶溶于0.1 M pH7.4磷酸盐缓冲溶液中，制备成5-10mg/mL的酶溶液，取5-10μL酶溶液滴加在上述修饰玻碳电极上，干燥后滴加5μL 0.5wt.%的Nafion溶液，并于4℃保存12 h，得到葡萄糖氧化酶电极；

3、上述酶电极在使用前置于0.1 M pH7.4磷酸盐缓冲溶液中洗涤除去未被固定的酶。