[发明专利]一种N、S共掺杂石墨烯负载CuO催化剂的制备方法

说明书

本发明涉及催化剂的合成技术领域，具体提供了一种N、S共掺杂石墨烯负载CuO复合材料催化剂的制备方法，该复合材料可用于非酶葡萄糖传感器，属于一种高活性催化剂以促进电催化葡萄糖氧化。利用改进Hummers法来获取氧化石墨(GO)，然后加入硫脲继续超声处理，最后将混合物转移到高压釜中反应得到NSG。将NSG悬浮液在N，N‑二甲基甲酰胺中分散，加热后加入Cu(Ac)₂溶液，反应获得产物CuO/NSG。通过两步溶剂热法制备CuO/NSG，发挥高效、可控和易操作的工艺特点，CuO/NSG具有大的表面积和丰富的孔洞，这不仅增加了活性位点的暴露，而且促进反应物在电催化过程中的扩散，都有助于增强EGO活性。NSG作为CuO载体可以提供改善的导电性能，其加速电荷转移以用于有效的电催化。所制备的CuO/NSG，作为催化剂应用于非酶葡萄糖传感器中电催化葡萄糖氧化。

【技术领域】

本发明涉及催化剂的合成技术领域，具体提供了一种N、S共掺杂石墨烯负载CuO复合材料催化剂的制备方法，该复合材料可用于非酶葡萄糖传感器，属于一种高活性催化剂以促进电催化葡萄糖氧化。

【背景技术】

传感器对于人来说就如同他的感官器官一样，是它们的延伸，也可以认为是人类的“五官”。其中以生物传感器的研究最为重要，这涉及到人类的福祉，与人类是最为息息相关的。那么对于我们日常说来说，最贴切我们健康的莫过于葡萄糖传感器的使用，很多人都被这个疾病所困扰。葡萄糖传感器可分为酶型和非酶型。非酶型就是利用电化学反应来模拟酶的作用，进而通过电子移动来达到氧化葡萄糖的效果，再通过传感器系统显示出来。非酶型的葡萄糖传感器不需要考虑酶的因素，这就大大地扩大了其使用范围，不论环境还是限度，都相对酶型葡萄糖传感器准确，稳定。

开发高性能非酶型葡萄糖传感器就要开发高活性催化剂以促进电催化葡萄糖氧化(EGO)，这是非酶葡萄糖感测的关键所在。Pt和其他贵金属是最活跃的EGO催化剂，但其稀缺性和高成本极大地限制了实际应用。近年来，已开发出各种有效的金属氧化物(CuO、NiO、Co₃O₄等)作为基于贵金属的催化剂的最有希望的替代物。在所有这些替代方案中，CuO纳米结构由于其高电化学活性，适当的氧化还原电位，优异的稳定性和环境良性而吸引了广泛的关注。然而，不良的导电性和聚集倾向显著降低CuO纳米结构的电催化活性。解决这些问题的最有效的方法是在包括碳纳米纤维、碳纳米管和石墨烯的导电碳基材料上直接生长CuO纳米结构形成纳米复合材料。石墨烯二维晶体结构，具有独特的热学、力学、电学性能以及超高的比表面积而成为了当前各大学科的研究热点。把石墨烯及其复合材料作为载体来构建生物传感器，这是独树一帜，特别被看好的。

最近的研究已经公开了掺杂原子(N，B，P，S)到碳骨架中可以大大提高石墨烯的催化活性，这归因于自旋和电荷密度的偏振分布。此外，共掺杂有两种不同杂原子(例如N和S)的石墨烯已经被报道比单原子掺杂的对应物表现出甚至更高的电催化活性。这是因为相对于单掺杂，杂原子之间的协同效应可以诱导不对称自旋和电荷密度的增强，这大大增强了电催化活性。最近报道了N，S共掺杂石墨烯(NSG)具有用于同时检测葡萄糖和双氧水的优异的感测性能。虽然掺杂石墨烯的杂原子已被广泛研究用于能量相关的电催化应用，但很少被考虑用于电化学传感器。同时，杂原子共掺杂石墨烯作为用于金属/金属氧化物纳米结构的杂交的底物仍然很大程度上未被开发。据我们所知，支持在NSG(CuO/NSG)上的CuO纳米结构先前没有被制备并用于葡萄糖感测。

为了解决非酶葡萄糖传感器中电催化葡萄糖氧化催化剂的稀缺性、高成本、不良的导电性和聚集倾向，本发明提供一种双原子掺杂的石墨烯负载CuO复合材料及其制备方法，因N、S等元素能有效打开石墨烯的能带间隙，可调整其导电类型(通过掺杂实现P型和N型半导体之间的转换)，改变其电子结构，从而提高其自由载流子密度，增加其导电性和稳定性，本发明选择用N、S共掺杂石墨烯负载CuO，实验结果得到性能良好的高活性催化剂，即N、S共掺杂石墨烯负载CuO复合材料(CuO/NSG)。