[发明专利]一种氧化铜/石墨烯复合纳米材料及其制备方法和用于COD检测和去除的双功能电极

说明书

本发明提供了一种氧化铜/石墨烯复合纳米材料的制备方法，包括以下步骤：制备氧化铜纳米颗粒溶液：将十六烷基三甲基氯化铵溶液、硝酸铜溶液和柠檬酸钠溶液混合并转移至80～100℃条件下，边搅拌边向混合溶液中滴加碱液，离心收集沉淀后再分散到超纯水中，得到氧化铜纳米颗粒溶液；制备氧化铜/石墨烯复合纳米材料：提供石墨烯纳米片分散液，将石墨烯纳米片分散液与氧化铜纳米颗粒溶液混合并超声3～10h，得到氧化铜/石墨烯复合纳米材料。本发明氧化铜/石墨烯复合纳米材料的制备方法借助于石墨烯纳米片的多层垛堞结构，方便氧化铜纳米颗粒掺杂到石墨烯纳米片中。本发明还提供了氧化铜/石墨烯复合纳米材料和用于COD检测和去除的双功能电极。

技术领域

本发明涉及电化学传感技术领域，具体涉及一种氧化铜/石墨烯复合纳米材料的制备方法，本发明还涉及一种用于COD检测和去除的双功能电极。

背景技术

随着我国经济以及工农业的快速发展，生活污水、工业废水的排放以及肥料的过量使用等使水体污染越来越严重。其中化学需氧量(COD)是用氧化还原反应来测定水体中还原性有机物被氧化时所消耗的氧化剂的量，它反映了水中被还原性物质污染的程度，是评估水体质量的重要指标之一。COD越高，说明水体受有机物的污染越严重。不仅危害水体的生物如鱼类，而且还可经过食物链的富集，最后进入人体，危害人类生命健康。

目前应用最普遍的检测方法有重铬酸钾氧化法和高锰酸钾法。其中重铬酸盐法是一种经典可靠的检测方法，也是国家标准检测方法(GB11914-89)。不过该方法存在一些不可避免的缺点，即检测时间长(2h)，试剂消耗多，工作量大，成本高，存在二次污染风险(需要使用银、汞和铬盐等有毒试剂)等。而在高锰酸钾法中，高锰酸钾只能部分氧化水中有机物，一般只适用于需氧有机物含量较低的天然水体，而且测定时间也比较长(2h)。

随着实验技术的发展，不断有新的COD测定方式被尝试和报道，包括光谱法、光催化法、电化学法等。其中电化学氧化法不需要对水样进行预处理，能在常温常压下直接降解有机物或间接产生强氧化物种降解有机物，最终可实现有机物的彻底矿化(二氧化碳和水)，具有氧化性强、操作简单快速、环境友好等优点。在典型的COD电化学分析中，将恒定电压施加到浸没在目标样品中的电极上，样品中的有机物被系统阳极上产生的羟基自由基氧化。通过定量测量氧化反应前后的相应电流信号，进一步可以得到COD值与电流大小的关系。此外，基于合适的电极材料，电化学氧化法也可用于有机物的去除。

在电化学法中，足够高的电压下样品中有机物的氧化效率会高于传统方法，有利于COD值的检测和去除，但会增加能耗，而且也很难使有机物达到完全氧化。因此从优化电极材料的角度入手是解决该问题的有效办法。因此，开发具有高氧化能力和长期稳定性的电极材料，同时实现有机物的快速绿色检测和高效去除具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种氧化铜/石墨烯复合纳米材料及其制备方法，本发明还提供了一种用于COD检测和去除的双功能电极，通过提供一种具有高氧化能力和长期稳定性的电极材料，同时实现水体中需氧有机物的快速绿色检测和高效去除。

第一方面，本发明提供了一种氧化铜/石墨烯复合纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

制备氧化铜纳米颗粒溶液：提供十六烷基三甲基氯化铵溶液、硝酸铜溶液和柠檬酸钠溶液，将十六烷基三甲基氯化铵溶液、硝酸铜溶液和柠檬酸钠溶液混合并转移至80～100℃条件下，边搅拌边向混合溶液中滴加碱液，离心收集沉淀后再分散到超纯水中，得到氧化铜纳米颗粒溶液；

制备氧化铜/石墨烯复合纳米材料：提供石墨烯纳米片分散液，将石墨烯纳米片分散液与氧化铜纳米颗粒溶液混合并超声3～10h，得到氧化铜/石墨烯复合纳米材料；

其中，十六烷基三甲基氯化铵、硝酸铜和柠檬酸钠的摩尔比为25～100:1～4:1～4，所述石墨烯纳米片分散液与氧化铜纳米颗粒溶液的体积之比为2～4:1～2。