聚苯胺_石墨烯纳米复合材料在痕量重金属离子检测中的应用_常雁红

Conference on Environmental Pollution and Public Health

Polyaniline/Graphene Nanocomposite in Detecting Trace

Heavy Metal Ions

Chang Yanhong , Wang Bin 1, 2, Luo Hui 1, Zhi Linjie 2

1

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University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China

Email: yhchang0512@http://doc.guandang.net1, pok236@http://doc.guandang.net2

National Center for Nanoscience and Technology, The Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China

Abstract: Polyaniline/graphene nanocomposite (PANI/G) was synthesized by an in situ polymerization pro-cedure. The microstructure of PANI/G was characterized by SEM, TEM and XRD. The electrochemical methods were used to investigate the application of PANI/G in detecting trace heavy metal ions. Using PANI/G modified glassy-carbon electrode as a working electrode, the mixed heavy metal ions including Cd2+, Cu2+, Pb2+ were identified by Anodic Stripping Voltammetry (ASV). Results showed that PANI nanotubes coated by graphene nanosheerts exhibited higher sensitivity in detecting heavy metal ions than PANI nano-tubes. The detection limits for Cd2+, Cu2+ and Pb2+ in mixed heavy metal ions were 10-5mol/L, 10-7mol/L and 10-8mol/L, respectively.

Keywords: graphene; polyaniline; electrochemical analysis; heavy metal ions

聚苯胺/石墨烯纳米复合材料在痕量重金属离子检测中

的应用

常雁红，王斌

1

2

11, 2

，罗晖1，智林杰

北京科技大学，北京，中国，100083

中国科学院，国家纳米科学中心，北京，中国，100080 Email: yhchang0512@http://doc.guandang.net1, pok236@http://doc.guandang.net2

摘 要: 采用原位聚合的方法合成了聚苯胺/石墨烯纳米复合材料（PANI/G）。利用SEM、TEM、XRD等方法对纳米复合材料的结构进行了研究，并采用电化学方法探讨了复合材料在痕量重金属离子检测中的应用。以PANI/G修饰的玻碳电极为工作电极，采用阳极溶出伏安法对Cd2+、Pb2+、Cu2+三种重金属离子混合溶液进行了电化学检测。研究结果表明：PANI/G为薄层石墨烯片包覆聚苯胺纳米管结构；PANI/G比PANI对重金属离子的检测性能好，PANI/G修饰的玻碳电极对混合金属离子溶液中Cd2+的检测下限为10-5mol/L，Cu2+的检测下限为10-7mol/L，对Pb2+的检测下限可以达到10-8mol/L。 关键词: 石墨烯；聚苯胺；电化学检测；重金属离子

1 引言

重金属离子广泛存在于各种水体中，具有痕量致毒、生物放大及在生物体内难以降解等特点，对人体健康危害明显，因而重金属污染研究已经成为环境保护研究中的重要课题。重金属离子的快速检测技术在近年来得到极大发展，其中电化学检测方法由于具有简便可行、灵敏度高等优势，在众多检测技术中脱颖而出[1-3]。针对电化学阳极溶出检测方法，化学修饰电

极是研究的重点和热点，尤其是所选用的活性材料，材料的性能直接影响到检测的过程和效果[4-7]。

聚苯胺（PANI）作为一种富含-CN的导电有机聚合物，具有电导率好、活性位点多等优势，是一种通用的传感材料[8-10]。石墨烯(Graphene)是具有单碳原子层厚度的二维纳米材料，由于具有超高电导率、大比表面积等特点，近几年来得到了极大发展，被应用在众多领域[11-13]。综合考虑聚苯胺和石墨烯的特点，本文制备了聚苯胺/石墨烯纳米复合材料（PANI/G），

1169978-1-935068-16-7 © 2010 SciRes.

这种纳米复合材料既利用了聚苯胺的高电化学活性，

又通过负载石墨烯弥补了聚苯胺本身比表面积不大的缺陷，可大大提高聚苯胺修饰电极的电化学活性，有利于对多种重金属离子的富集和检测。

本文通过原位聚合的方法合成了聚苯胺/石墨烯纳米复合材料（PANI/G），并对其结构进行了表征与分析。通过与空白玻碳电极与聚苯胺修饰的玻碳电极进行比较，考察了PANI/G修饰的电极检测不同种类重金属离子的能力。

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三电极系统，金属铂丝做对电极，饱和甘汞电极做参比电极。

3 结果与讨论

3.1 PANI/G的结构表征

取少量制得的PANI和PANI/G材料附着在导电胶上进行扫描电镜观察，得到试样宏观形貌如图1所示。可以看出，聚苯胺形成了密集分布的管状结构，管径在100nm~200nm之间（图1 a）。引入石墨烯以后，聚苯胺纳米管团簇与石墨烯混在一起，由于石墨烯片层较大，基本形成了石墨烯包裹聚苯胺纳米管团簇的结构（图1 b），这种结构增加了聚苯胺纳米管之间的有效接触，利于电子在纳米复合材料上的传输，提高了材料的电化学活性。

为进一步表征材料的微观结构，将少量PANI和PANI/G超声分散在一定量三次去离子水中，滴在铜网上干燥以后进行透射电镜观察。图1 c 显示的是PANI的微观形貌，可以看出得到的聚苯胺纳米管长短不一，从纳米级到微米级不等。从图1 d 中可以看出石墨烯片层均匀，聚苯胺纳米管被薄层石墨烯包覆。这一结果进一步说明石墨烯片层和聚苯胺纳米管充分接触，形成了石墨烯包裹聚苯胺纳米管的结构。

图2 为PANI和PANI/G的XRD谱图。与PANI的谱图相比，有石墨烯混入的PANI/G出现了石墨烯的两个特征衍射峰（001和100）。001衍射峰体现了薄层石墨的层间结构，100衍射峰则是代表了石墨烯二维平面上的周期性结构。XRD的分析结果表明了PANI/G复合材料中石墨烯的存在，并且仍保持了原有的结构，成为了聚苯胺纳米管的良好载体以及电子传输通道。

2 实验部分

2.1 PANI/G的制备与表征

所用药品均为分析级，全部实验过程使用三级去离子水。取一定量石墨烯固体粉末混于150mL盐酸溶液中（1mol/L），超声处理30分钟，得到石墨烯悬浮液于冰箱中冷却一定时间。将一定量苯胺分散在150mL盐酸溶液中制得0.2mol/L的溶液，另外将一定量过硫酸胺溶于200mL事先冷却处理的盐酸中得到0.5mol/L的溶液备用。在搅拌状态下向上述石墨烯悬浮液中依次慢慢滴加苯胺溶液和过硫酸胺溶液，之后于冰浴下搅拌反应12小时，过滤，用甲醇、乙醚、水充分洗涤，过滤、干燥后可得到黑色粉末。在不加石墨烯的同等条件下制备得到聚苯胺。

材料的表面形貌观察采用G20 ST透射电镜（TEM）和S4800型扫描电镜（SEM），结构分析采用X射线衍射仪（XRD）。

2.2 PANI/G修饰玻碳电极的制备

采用1%的nafion溶液作为黏合剂，将一定量PANI/G粉末分散在nafion溶液中，振荡、超声使其分散均匀。采用粒径为0.3μm铝粉对玻碳电极进行表面抛光，三级蒸馏水冲洗干净。取20μL材料分散液滴涂在电极表面，自然晾干后备用。 作为对比，同时制备了只有聚苯胺修饰的玻碳电极。

3.2 重金属离子检测

为了研究PANI/G复合材料对痕量重金属离子的检测效果，我们选取了Cd2+、Pb2+、Cu2+三种重金属离子作为测试对象，并与PANI的检测效果进行了对比。

从图3a可以看出，与PANI修饰的电极相比，石墨烯的引入大大提高了检测信号峰强度。添加了PANI/G的电极在-0.78V（对饱和甘汞电极，下同）、-0.48V、-0.15V分别出现了信号峰，各自对应于Cd2+、Pb2+、Cu2+在 …… 此处隐藏：6732字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……