[发明专利]一种低背景石墨烯电极阵列的激光雕刻制备方法及电化学传感器制备方法

说明书

本发明公开了一种低背景石墨烯电极阵列的激光雕刻制备方法及电化学传感器制备方法，首先将指甲油涂覆到目标基底上形成均匀涂层；然后采用特定波长和功率的激光器，在空气中对指甲油涂层进行激光雕刻，即可批量制备高导电的低背景石墨烯电极阵列。将石墨烯电极阵列清洗、干燥、切割、封装后，得到具有特定检测区域面积的单个石墨烯基三电极组；将钠蒙脱土溶液和羧基化碳纳米管溶液混合后滴涂在三电极组的工作电极表面，干燥后即得用于检测重金属离子的石墨烯基电化学传感器。本发明根据阳极溶出峰电流与重金属离子浓度之间关系实现重金属的定量分析。本发明生产设备和原材料成本低、生产过程简单、自动化程度高、易于工业化，具备较大经济价值。

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种电极制备方法，具体涉及一种低背景石墨烯电极阵列的激光雕刻制备方法及电化学传感器制备方法。

背景技术

重金属离子(如Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺等)的污染，因其分布广、危害大，在环保领域备受关注。基于阳极溶出法的电化学传感技术，具有灵敏度高、检测速度快、检测成本低、仪器设备便携等特点，在重金属离子检测领域应用广泛。目前，商业化的重金属离子电化学传感器多使用丝网印刷电极，通过分层印刷银导电层、碳传感层和绝缘封装层等方式制备，存在丝印模板需定制、制备过程较复杂、制备精度较低、丝印设备和油墨耗材成本高等不足。同时，由于丝网印刷电极所用的碳基油墨中含有绝缘疏水性高分子材料，不但影响所制备电极的电化学性能，也不利于各种水分散功能材料对其表面的修饰。

激光诱导石墨烯(LIG)技术是最新发展起来的一种碳基电极阵列的新型制备技术(Nature Communications 2014,5,5714)。它直接采用激光对高分子薄膜或涂层进行雕刻处理，利用激光雕刻产生的瞬时高温，实现某些高分子材料的原位石墨烯化和图案化，从而能利用电脑控制激光雕刻机在绝缘高分子材料直接雕刻高导电碳基电极阵列，具有制备过程简单、制备精度高、碳电极导电性好、适用基底广泛等特点(Advanced Materials 2018,31,1803621)。基于LIG技术所制备的各种碳基薄膜和电极阵列已被广泛应用于超级电容器、电催化、传感器、环境保护等诸多领域(Accounts of Chemical Research 2018,51,1609)。

目前，LIG领域应用最广泛的高分子材料是聚酰亚胺(PI)，其LIG具有石墨化程度高、导电性好、材料比表面高等特点。然而，PI材料的不溶不熔特性在一定程度上限制了其加工性能。因此，各种新型LIG前驱体材料也被不断发掘出来，包括纤维素基材料(AngewChem 2017,56,15113)、PEEK基材料(2D Mater 2017,4,035012)以及我们最近报道的酚醛树脂材料(Carbon 2018,127,287)等，其适用基底范围也得到不断拓展。其中，纤维素基LIG前驱体材料具有成本低、资源丰富、绿色环保等特点，在LIG领域备受关注。然而，如同纸在空气中易燃一样，纤维素及其衍生物的LIG前驱体材料的激光雕刻往往需要昂贵的CO₂脉冲激光器(Angew Chem 2017,56,15113)或保护性气氛(专利CN109421402A公开了一种高导电石墨烯薄膜阵列的激光雕刻制备方法，硝酸纤维素膜的激光雕刻需H₂或N₂保护或者昂贵的CO₂脉冲激光器)；采用低成本的非脉冲紫外-可见区激光器以及空气环境直接一步激光雕刻纤维素基LIG材料，一般会将材料直接烧掉，从而无法激光雕刻制备石墨烯电极阵列。

同时，目前各种LIG材料所制备的石墨烯电极阵列存在两个问题：(1)LIG制备过程中，前驱体材料的瞬间高温汽化导致所制备的LIG材料比表面很大，而且表面往往疏水，这不利于发展高信噪比的电化学传感器件，也不利于其进一步功能化修饰；(2)LIG的高比表面和疏松多孔结构导致LIG电极阵列的机械强度一般较差，不利于发展耐用型的电化学传感器件。

发明内容