[发明专利]一种多孔纳米结构的氧化铜电极材料、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于新能源和电化学传感器电极技术领域，特别是多孔氧化铜材料的可控合成工艺。

背景技术

为满足可移动新能源的巨大需求，研制出性能优异、安全价廉、环境友好且催化性能优异的电化学传感器已引起相关企业和业内专家的广泛关注。当前拥有特殊的物理和化学性质，纳米材料已经被广泛应用于化学传感器、生物传感器等领域。铜材料近年来迅速出现，与大多数贵金属相比，它们是廉价和丰富。与此同时，它们有能力促进电子转移反应和提供具有良好的电化学活性。直到现在，一些基于各种铜材料的传感器，已经用于对葡萄糖的检测研究。其中，p型半导体材料、铜氧化物和一个狭窄的和特殊的带隙能量已经吸引了研究者的注意。

最近，已有关于金属氧化物用于催化的报告。有报道显示，氧空位会加速表面氧化还原反应的动力学，提高材料的电化学性能。这些报告显示，氧空位会加速表面氧化还原反应的动力学，提高材料的电化学性能。根据相关报导表明：通过引入氧空位，缺氧的BiOI纳米片表现出更高的催化活性，可以达到10倍比未经处理的BiOI纳米片。氧气空缺有很大影响汇总用于超级电容器的电容性能。氧气空位也已经应用于各种领域，比如光催化、超级电容器等等。然而，几乎没有增强电化学催化活性的报道源于氧气空缺在电化学传感器。所以基于多孔氧化铜材料在无酶葡萄糖传感器电极中的应用及其可控合成在目前还没有相关研究。

葡萄糖氧化酶（气态氧），基础葡萄糖酶电极，可以氧化葡萄糖为葡糖酸直接电子转移与氧气的存在。然而，由于其不稳定性和灵敏度，气态氧是容易受湿度、pH、离子洗涤剂和其他环境因素。于是，许多研究进行了研究无酶葡萄糖传感器。无酶葡萄糖感应之一是由金属或金属氧化物纳米结构修改。该传感器基于现有氧气空位很少被报道的基础上进行这项工作的。在这个工作中，多孔粒子与氧空位的措成功由煅烧草酸铜可以获得通过简单一步合成在350℃。

发明内容

为了克服以上现有技术缺陷，本发明提出一种可作为无酶葡萄糖传感器电极的多孔纳米结构的氧化铜电极材料。

本发明所述多孔纳米结构的氧化铜材料所述材料呈多孔囊状三维结构，正面呈正方形，边缘为扁平状，中间凸起，侧面呈纺锤形。

本发明多孔氧化铜材料可与氧气空缺作为改性材料，具有良好的电化学性能和催化性能，且具有良好的抗干扰能力。其中，多孔氧化铜材料是纳米级的。本发明的以上特征使制成的传感器的灵敏度为6240.50～10490.45 µA·(mM)^-1·cm^-2，响应时间小于3s，以利于电子的传输。

本发明还提出以上材料的制备方法。

将醋酸铜水溶液滴加于草酸水溶液中，磁力搅拌条件下反应后，用去离子水和无水乙醇清洗并干燥处理，再经煅烧后，取得多孔纳米结构的氧化铜电极材料。

本发明在充分利用氧化铜对葡萄糖的氧化具有优良的定向催化性以及材料成本低廉的基础上，通过可控合成特殊多孔纳米结构的氧化铜材料来提高比表面积，暴露更多的氧化活性位点，显现优良的氧缺陷结构，从而使传感器获得极高的灵敏度、较好的稳定性和抗干扰性等。其次，配位和前驱物法处理工艺简单、成本低廉、易于操作，适用于大规模生产。

本发明的方法具有很好的可实施性，操作简单，价格便宜，具有很好的实用性。本发明的关键是多孔氧化铜材料可与氧气空缺作为改性材料，其中所用原料醋酸铜和草酸无特别要求。

本发明的特点在于：

1、该方法制得的氧化铜材料具有多孔结构，具有大的比表面积，与氧气空缺作为改性材料，有利于电子的传输，具有较好的催化性能和电化学性能。

2、反应时间短，重复率高，反应容易且成本低。

另外，本发明所述醋酸铜水溶液中醋酸铜与草酸水溶液中草酸的投料摩尔比为1∶1。草酸具有一定的腐蚀性。但是如果草酸的量小于醋酸铜的量时，则得不到均一的颗粒状草酸铜。我们之前做过大量的对比试验，调控草酸和醋酸铜的摩尔比，最后实验结果表明，只有在醋酸铜与草酸的摩尔比为1∶1的情况下才能生成表面平滑的均一的草酸铜纳米颗粒。

醋酸铜是一种高产物质，过高的浓度可能会导致反应不完全，然而过低的浓度又会造成结果产品的量少，因此所述醋酸铜水溶的中醋酸铜和浓度为0.1 M。

同理，草酸铜是一种高产物质，过高的浓度可能会导致反应不完全，然而过低的浓度又会造成结果产品的量少，因此本发明所述草酸水溶液的中草酸的浓度为0.1 M。