[發明專利]一種多元素摻雜的石墨烯纖維、其制備和應用

有效

• 申請號: 201910945024.7
• 申請日: 2019-09-30
• 公開（公告）號: CN110629325B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 肖菲;許云;張艷;趙安順
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: D01F9/12
• 分類號: D01F9/12;C01B32/184;G01N27/30;G01N27/327
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 彭翠;李智

本發明屬于納米材料制備技術領域，更具體地，涉及一種多元素摻雜的石墨烯纖維、其制備和應用。本發明以離子液體作為氧化石墨烯的凝固浴，利用石墨烯表面的活性基團與離子液體成鍵來制備均勻負載的離子液體?石墨烯纖維，再經過熱解制備非金屬元素共摻雜石墨烯纖維，離子液體作為氮源、硼源、磷源，由此制備了導電性好、電化學活性高的石墨烯纖維，將其作為微電極用于電化學傳感系統，能用于檢測生物小分子，解決現有技術摻雜的多孔石墨烯纖維制備方法中摻雜源需求量大、工藝復雜、產生污染，成本高以及在實際檢測中粉體需要涂覆在電極上的缺陷等問題。

技術領域

本發明屬于納米材料制備技術領域，更具體地，涉及一種多元素摻雜的石墨烯纖維、其制備和應用。

背景技術

碳材料優異的電化學行為使其在構造便攜式和植入式電化學生物傳感器上具有廣泛的應用前景，將其獲得實際應用的主要途徑就是組裝成宏觀材料。石墨烯，一個純粹由碳骨架構成的完美二維原子晶體，自2004年首次成功剝離以來，因其出色的電化學特性、高表面積、機械強度和生物相容性等被廣泛應用于化學、材料、物理、生物、環境、能源等眾多學科領域。目前，石墨烯已經組裝成纖維、紙和一些三維多孔結構。

浙江大學高超課題組2011年在Nature Communications上發表了第一篇關于石墨烯纖維的文章以來，出現了多種結構的以及復合型石墨烯纖維。濕法紡絲是制備纖維的初始方法也是主要方法之一，氧化石墨烯作為石墨烯的一種前驅體，常被認為是制備石墨烯纖維的紡絲原液。除紡絲原液外，凝固浴是第二個重要因素，其原理是通過改變GO表面的Zeta電位使其凝膠化析出。

現有的制備石墨烯纖維的方法多為模板法或水熱法等，這些制備方法一般存在摻雜源需求量大、工藝復雜無法大規模生產、產生污染或成本高等缺陷。

與傳統的環盤電極、圓盤電極和柱狀電極相比，以石墨烯纖維作為電極具有尺寸微小、柔性可彎曲等優點，在進行電化學生物傳感的實際應用時可以插入到組織中進行檢測，小型化電化學傳感器需要在微米尺寸范圍內設計電極系統。低阻抗和非常精細的微電極必須足夠堅硬以穿透軟神經組織，同時具有柔韌性或可拉伸性，以最大限度地減少與組織的機械不匹配，并適應植入后的微小運動。現有技術目前沒有發現將這種微電極作為同時選擇性檢測多巴胺尿酸和抗壞血酸的微電極。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種多元素摻雜的石墨烯纖維、其制備和應用，其以離子液體作為凝固浴，利用石墨烯表面的活性基團與離子液體成鍵來制備均勻負載的離子液體-石墨烯纖維，再經過熱解制備非金屬元素共摻雜石墨烯纖維，離子液體作為氮源、硼源、磷源，由此解決現有技術摻雜的多孔石墨烯纖維制備方法中摻雜源需求量大、工藝復雜、產生污染，成本高等問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種多元素摻雜的石墨烯纖維的制備方法，包括如下步驟：

(1)將氧化石墨烯溶液用濕法紡絲的方法注入到凝固浴中，使氧化石墨烯凝膠化析出，得到氧化石墨烯纖維，所述凝固浴為離子液體的水溶液；所述離子液體中含有N、B、P、S和F中的至少兩種元素；

(2)將步驟(1)得到的氧化石墨烯纖維進行還原處理，使所述氧化石墨烯表面的含氧官能團還原，干燥后得到石墨烯纖維；

(3)將步驟(2)獲得的石墨烯纖維置于惰性氣氛下煅燒，使得石墨烯纖維發生碳化，得到多元素摻雜的石墨烯纖維。

優選地，步驟(1)所述氧化石墨烯溶液中氧化石墨烯的濃度為10-30mg/mL。

優選地，所述氧化石墨烯溶液通過如下方法獲得：

S1：將膨脹石墨氧化剝離得到氧化石墨烯初始溶液；

S2：將該氧化石墨烯初始溶液用超純水反復潤洗至中性；