[发明专利]一种基于静电纺丝技术制备TiO2

说明书

本发明公开了一种碳纳米纤维复合材料的制备及其修饰电极的构建方法，将静电纺丝和高温碳化技术应用于二氧化钛‑碳纤维纳米复合材料（TiO₂‑CNFs）的制备过程，以TiO₂纳米粒和聚丙烯腈（PAN）为原料，N,N‑二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂共混纺丝，其操作过程简单，且纤维形貌可控，结构均匀，比表面积大，再经过高温碳化后即可制备出TiO₂‑CNFs复合材料。由其制备的修饰电极具有良好的稳定性和可操作性，能够有效促进电子在界面的转移。该修饰电极对三磷酸腺苷（ATP）具有良好的电催化氧化性能，表现出较低的检测限，较宽的线性范围和较高的灵敏度。

技术领域

本发明涉及纳米材料制备与电化学传感技术领域，尤其涉及一种基于静电纺丝和高温碳化技术制备TiO₂-碳纳米纤维复合材料的方法及其修饰电极的制备与应用。

背景技术

碳纳米纤维（Carbon nanofibers，CNFs）是一种一维纳米材料，因其较小的尺寸和微观结构而具有许多独特的性质，比如良好的吸附性能和理化性质。以CNFs作为TiO₂等催化剂的载体，不仅能够解决TiO₂纳米颗粒难回收的问题，而且具有高比表面积和孔隙率的CNFs，能够提高TiO₂纳米颗粒在其表面分散度和负载量，缩短离子传输路径以及在取向方向上功能化，有效促进离子/电子的转移和电解液的渗透。静电纺丝作为目前制备纳米纤维常用的方法之一，因其原料来源广，操作条件温和，可以大量制备、易修饰功能化、价格低廉等诸多优势而备受关注。高压静电制得的原丝经过高温碳化处理，重新组合分子环化结构，最终得到高强度、性能稳定的CNFs，在催化剂载体、生物医学、增强材料、过滤材料、电极材料、传感器等方面具有潜在的应用。

三磷酸腺苷（ATP）是由1分子腺嘌呤、1分子核糖和3分子磷酸组成的一种高能化合物，是生物体内最直接的能量来源，作为细胞内生物体化学能的主要载体，对调节细胞代谢和细胞生理活性起着重要作用，也被用来作为细胞活力和细胞损伤的一个重要指标。ATP水解时作为高能前体失去磷酸基团放出能量，参与重要的耗能酶反应，并为其他物质提供磷酸基供体。对ATP的检测方法主要有质谱法、高效液相色谱法、生物发光法、荧光分析法和电化学分析法等，其中电化学分析法因具有较高的灵敏度和便捷的操作方法，而越来越受到关注，具有重要的学术意义和应用价值。

综上，研发一种具有稳定结构、操作简单方便的负载型碳纳米纤维复合材料，用于修饰电极的制备和三磷酸腺苷的快速响应和高灵敏度检测，具有重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于静电纺丝和高温碳化技术制备TiO₂-碳纳米纤维复合材料的方法及其修饰电极的制备与应用，所制备的纳米复合材料具有均一稳定的纤维状结构，且其修饰电极对三磷酸腺苷具有良好的电催化氧化性能，表现出线性范围宽、检测限低、灵敏度高等优点，可应用于三磷酸腺苷的定性分析和定量检测。

为解决上述问题，本发明提出的实施方案为：一种基于静电纺丝和高温碳化技术制备TiO₂-CNFs纳米复合材料的方法，包括以下步骤：

S1：将纳米二氧化钛（TiO₂）颗粒和聚丙烯腈（PAN）的混合物溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF），形成静电纺丝前驱体溶液，其中聚丙烯腈和N,N-二甲基甲酰胺的质量比为0.04~0.1，纳米TiO₂颗粒的质量百分数为1~5%；

S2：将步骤S1得到的静电纺丝前驱溶液室温下持续搅拌，搅拌时间为10~15 h，最终得到均一的混合溶液；

S3：通过静电纺丝将步骤S2得到的混合溶液纺成纳米纤维，其中，纺丝电压为15~25 kV，流速为0.2~1.0 mL/h，注射器针头与收集器之间的距离为15~20 cm，接收器滚轴转速为400~800 rpm，制备得到TiO₂-PAN复合纳米纤维；