CuO-NSG的制备及其在非酶葡萄糖传感器中的应用

2019-07-08

中国粉体技术 2019年5期

(1. 河北工程大学a.材料科学与工程学院; b. 机械与装备工程学院，河北邯郸056038；2. 河北科技大学化学与制药工程学院，河北石家庄050000)

葡萄糖传感器广泛应用于临床诊断、生物技术、食品工业、环境保护等诸多领域中，葡萄糖的快速和可靠的检测是非常重要的。然而，酶葡萄糖生物传感器的化学不稳定性、操作复杂性、较差的再现性是限制其广泛应用的关键问题。Wang等[1]已开发出非酶葡萄糖传感器，用来解决酶葡萄糖生物传感器的不稳定性和较差的再现性。

开发高活性催化剂以促进电催化葡萄糖氧化(EGO)是非酶葡萄糖感测的关键所在[2]。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[3]。近年来，已开发出各种低成本有效的金属氧化物(CuO、NiO、Co3O4等)作为贵金属催化剂最有希望的替代物。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得到广泛关注。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。值得注意的是，由于具有可调谐的分子结构、大的比表面积和优异的导电性，石墨烯或其衍生物(石墨烯氧化物)可以用作锚定一系列纳米结构的理想基质[4-6]。在这方面，一些石墨烯基金属氧化物纳米复合材料，包括CuO-石墨烯、NiO-石墨烯、Co3O4-石墨烯和Fe3O4-石墨烯已经被开发，表现出优异的EGO催化活性和对葡萄糖检测的令人瞩目的感测性能[7-9]。

最近的研究表明，掺杂杂原子(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。Tian等[10]已经证明的研究显示，通过杂原子修饰的石墨烯显著改善了催化活性和感测性能。此外，已有研究报道，共掺杂2种不同杂原子(比如N和S)的石墨烯比单原子掺杂的对应物表现出更高的电催化活性[11-13]。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，导致电催化活性大大增强。最近报道的氮和硫共掺杂石墨烯(NSG)具有用于同时检测葡萄糖和H2O2的优异感测性能。虽然掺杂石墨烯的杂原子已被广泛应用于能量相关的电催化应用，但很少考虑用于电化学传感。同时，杂原子共掺杂石墨烯作为用于金属和金属氧化物纳米结构的杂交的底物，很大程度上仍然尚未被开发。

鉴于此，在本文中我们探讨了以NSG作为锚定CuO纳米颗粒的底物，并且对获得的CuO-NSG作为EGO催化剂用于非酶葡萄糖感测。CuO-NSG是通过简单的两步溶剂热法制备的，包括制备氧化石墨烯(GO)以及合成NSG，然后在NSG基底上生长CuO纳米颗粒。由于NSG的重要作用和NSG与CuO的协同效应，CuO-NSG预测能够增强EGO能力和对葡萄糖检测的非凡感测性能，使得CuO-NSG成为可应用于非酶型葡萄糖感测的高活性EGO催化剂。

1 实验

1.1 CuO-NSG的制备

图1为CuO-NSG的制备过程示意图。由于GO表面上含有丰富的含氧官能团，使GO片层可以很好地分散在水溶液中，并通过氢键与硫脲发生强烈的相互作用，在随后的溶剂热反应过程中能够将硫脲分解成含活性N、S的化学物质。这些含N、S的化学物质能够促进其与GO的反应，使GO同时被还原以及N、S杂原子进入石墨烯骨架中形成NSG。然后Cu(Ac)2和NSG在N，N二甲基甲酰胺溶剂中的溶剂热处理，使CuO成核到NSG的官能团进而形成CuO-NSG复合材料。

图1 CuO-NSG的制备过程示意图Fig.1 Schematic diagram of preparation process of CUO-NSG

1.2 NSG的合成

利用天然石墨粉末(150 μm，质量分数大于99.8%，青岛石墨公司)根据Hummers法制备GO。通过改良溶胶热法制备NSG。首先将0.1 g的GO分散在100 mL去离子水中，通过超声波处理30 min。然后，将0.2 g硫脲缓慢加入到GO悬浮液中，并将混合物超声处理1 h。再将混合物转移到高压釜中，并在180 ℃下保持24 h。将反应溶液冷却至室温，通过离心法收集产物NSG，用蒸馏水洗涤几次，过滤并在真空中干燥12 h。为了便于比较，通过相同的方法制备未掺杂的还原氧化石墨烯(RGO)且不添加硫脲。

1.3 CuO-NSG的合成

将2 mL NSG悬浮液(2.0 mg/mL)分散在15 mL的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中。在具有磁力搅拌的圆底烧瓶中，将NSG悬浮液加热至90 ℃，然后，在NSG悬浮液中缓慢加入1.5 mL Cu(Ac)2溶液，搅拌1 h。通过离心分离沉淀物，然后用去离子水洗涤。将沉淀物分散在30 mL去离子水中，将悬浮液转移到高压釜中，并在180 ℃下保持12 h。冷却至室温后，通过离心收集产物CuO-NSG，用蒸馏水洗涤数次，过滤并在真空中干燥24 h。为了便于比较，通过用RGO代替NSG的相同方法制备CuO-RGO。

1.4 CuO-NSG的测试

采用JEM-2100透射电子显微镜(TEM)和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)对CuO-NSG进行结构和形貌表征。采用Rigaku RINT2400衍射仪对CuO-NSG进行X射线衍射(XRD)表征。采用Renishaw RM2000光谱仪分析了CuO-NSG的内部结构缺陷。在CHI600E电化学工作站上，使用常规三电极系统在室温下进行的电化学测量，以玻璃碳电极(GCE)作为工作电极，Pt作为参比电极和对电极。

2 结果与讨论

2.1 CuO-NSG的表征

CuO-NSG的TEM图像如图2所示。图中显示大部分的CuO纳米颗粒均匀、致密地锚定在NSG纳米片的表面上，而不存在大的CuO聚集体，表明CuO与NSG的成功杂交。这种均匀分散和小尺寸的CuO纳米颗粒负载在NSG上促进CuO的活性位点的暴露，从而提高EGO催化活性。

图2 CuO-NSG的TEM图像Fig.2 TEM image of CuO-NSG

图3为CuO-NSG的HRTEM图像。图3显示NSG和CuO之间紧密连接。CuO的晶格条纹显示0.13、0.15、0.26 nm的平面间距，其分别归属于CuO的(311)、(202)、(111)晶面。

CuO-NSG的XRD图谱如图4所示。图中显示在2θ值为30°以上观察到的特征峰为CuO各个晶面所对应的衍射峰，与HRTEM图像结果一致。另外，在2θ值为25°处观察到的小衍射隆起表明石墨烯堆栈的存在。

图3 CuO-NSG的HRTEM图像Fig.3 HRTEM image of CuO-NSG

图4 CuO-NSG的XRD图谱Fig.4 XRD pattern of CuO-NSG

2.2 CuO-NSG的电化学性能测试

CuO-NSG的电化学性能测试如图5所示，与CuO-NSG-GCE相比，CuO-RGO-GCE表现出较差的EGO性能，通过其更低的氧化电位和更低的电流密度，表明NSG比作为支持材料的RGO更有效提高CuO的EGO活性。

CuO-RGO的TEM图像如图6所示，CuO-RGO显示出与CuO-NSG(182.6 cm2/g)相当类似的形态和大的比表面积(179.3 cm2/g)。

拉曼光谱图如图7所示，CuO-NSG(1.13)的D峰与G峰强度比高于CuO-RGO(0.98)，表明N、S共掺杂能够在石墨烯上产生丰富的结构缺陷。这些缺陷有助于提高催化活性的附加活性位点。

图5 循环伏安曲线Fig.5 Cyclic volt-ampere curves

图7 拉曼光谱图Fig.7 Raman spectrogram

电化学交流阻抗曲线如图8所示。CuO-NSG的电荷转移电阻(278 Ω)，小于CuO-RGO的电荷转移电阻(432 Ω)，表明N、S共掺杂可以提供更高的纳米复合材料中石墨烯的电子转移能力。这可以解释为N和S掺杂剂的掺入提供更多的价电子，获得更高的电子转移能力，从而提高CuO-NSG的EGO活性，所以 N、S共掺杂可提供CuO和石墨烯之间更强的共价耦合。若没有这样的共价耦合，CuO-NSG混合物显示差的EGO活性，表明了CuO和NSG之间的共价耦合在改善EGO性能中的重要作用。因此，N，S衍生的功能物质不仅能提供CuO-NSG的强相互作用，而且提供葡萄糖吸附和氧化的额外结合位点，有利于CuO-NSG的EGO活性。这些结果充分证实N、S共掺杂通过在CuO和NSG之间提供更多的结构缺陷，更高的电荷转移能力和更强的共价偶联而在改善CuO-NSG的EGO性能中起重要作用。卓越的EGO性能使CuO-NSG成为葡萄糖检测的具有广泛应用前景的催化剂。