碳量子点纳米金刚石复合电极的制备方法及应用

本发明属于金刚石复合电极制备，尤其涉及一种碳量子点纳米金刚石复合电极的制备方法及应用。

背景技术：

1、由于碳材料具有良好的力学、电学及化学性能，特别是具有大的比表面积、良好的导电性和生物相容性，碳量子点作为负载纳米敏感材料构建的传感器得到了广泛的研究。碳量子点具有毒性小、来源丰富、易于官能化、生物相容性好、光稳定性好、荧光波长可调节等优点，在生物医学、环境保护、光电催化、能量储存与转化等领域具有潜在应用价值。然而，传统方法合成的量子点产率和效率较低，通常经过几天的反应和纯化，最终的产品只有几毫克到几十毫克。而且，在反应、清洗、纯化过程中，特别是柱色谱分离，需要消耗大量的溶剂，这些有机溶剂通常无法回收利用，排放会造成污染。这严重限制了它们的实际应用。因此，亟待开发出工艺简单、成本低、产率高的可用于大批量生产并能够达到高质量高性价比的碳量子点的方法。

2、本发明制备了一种新型碳量子点纳米金刚石材料，采用微波辅助法在碳量子点的反应前驱物中添加不同质量比的纳米金刚石粉，纳米金刚石在溶液中剧烈震动，有效提升碳量子点产率，防止前驱物形成碳纳米片结构，本方法制备简单、成本低、产率高，是一种可用于大批量生产并能够达到高质量高性价比的碳量子点纳米金刚石复合材料的方法。将制备的碳量子点纳米金刚石复合材料负载于硼掺杂金刚石电极上，制作成电化学传感器可提升检测性能，降低检测限，具有非常好的痕量检测性能。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种碳量子点纳米金刚石复合电极的制备方法及应用，通过功能材料的选择和特殊结构的设计，将碳量子点材料和金刚石纳米材料相结合，获得一种电化学性能好，成本低，绿色环保的一种新结构的电极材料。

2、本发明是这样实现的，本发明采用微波辅助法制备碳量子点纳米金刚石复合电极材料，通过在碳量子点的反应前驱物中添加不同质量比的纳米金刚石粉，纳米金刚石在溶液中剧烈震动，有效提升碳量子点产率，防止前驱物形成碳纳米片结构，本方法制备简单、成本低、产率高，是一种可用于大批量生产并能够达到高质量高性价比的碳量子点纳米金刚石复合材料的方法。将制备的碳量子点纳米金刚石复合材料负载于硼掺杂金刚石电极上，制作成电化学传感器以期进一步改善电化学痕量检测性能。

3、所述碳量子点纳米金刚石复合电极的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤一，将柠檬酸、尿素、硼酸溶解在适量去离子水中形成无色透明溶液，然后添加纳米金刚石粉，经高频超声处理30～60 min，将所得溶液置于微波炉中于800 w功率下加热5～10 min，溶液由无色变成浅黄色直至变成黄褐色固体复合物，研磨得到碳量子点纳米金刚石复合材料；

5、步骤二，采用微波等离子化学气相沉积法在2.45 ghz下制备p型硅衬底上的多晶掺硼金刚石薄膜；

6、步骤三，将碳量子点纳米金刚石复合材料置于适量去离子水中，经高频超声处理30～60 min，碳量子点纳米金刚石悬浊液滴涂在硼掺杂金刚石膜电极上，80 ℃恒温烘干，得到碳量子点纳米金刚石复合电极。

7、进一步，步骤一中柠檬酸、尿素、硼酸的质量比为1:3～4:1；纳米金刚石粉的质量与柠檬酸、尿素、硼酸质量之和的比为0.05～0.2:1。

8、进一步，步骤二中硼掺杂金刚石膜在硅、ti等基底上异质外延生长。

9、进一步，步骤二中硼掺杂金刚石膜在单晶金刚石上同质外延生长。

10、进一步，步骤二中生长方法为微波等离子体cvd、热丝cvd等方法。

11、进一步，步骤二中制备多晶掺硼金刚石薄膜的方法具体包括：

12、（1）在典型工艺的基础上，对硅片进行了清洗，为增加成核点打磨并超声增加籽晶；

13、（2）设置生长参数为：总压强8 kpa，ch4 、h2、 b流量分别为2、200、6 sccm，衬底温度850 ℃，微波功率350 w左右；

14、（3）在25 ℃下加入硼源，所述硼源由气泡h2气体携带进入反应室，然后沉积12 h。

15、进一步，所述硼源为液体b(och3)3。

16、进一步，所述掺硼金刚石薄膜沉积厚度为12 μm。

17、本发明的另一目的在于提供一种碳量子点纳米金刚石复合电极的制备方法所制备的碳量子点纳米金刚石复合电极。

18、本发明的另一目的在于提供所述碳量子点纳米金刚石复合电极作为电化学传感器检测阿霉素的应用。

19、本发明的另一目的在于提供一种碳量子点纳米金刚石复合电极制备系统，该系统包括：

20、溶液制备模块，用于将柠檬酸、尿素、硼酸溶解在适量去离子水中形成无色透明溶液，并添加纳米金刚石粉进行高频超声处理，以及将所得溶液置于微波炉中进行加热处理，直至溶液变成黄褐色固体复合物；

21、研磨模块，与溶液制备模块连接，用于将黄褐色固体复合物研磨成碳量子点纳米金刚石复合材料；

22、掺硼金刚石薄膜制备模块，采用微波等离子化学气相沉积法在p型硅衬底上制备多晶掺硼金刚石薄膜；

23、复合电极制备模块，将碳量子点纳米金刚石复合材料置于去离子水中进行高频超声处理，形成悬浊液，并将悬浊液滴涂在硼掺杂金刚石膜电极上，随后进行恒温烘干处理，以形成碳量子点纳米金刚石复合电极。

24、本发明的另一目的在于提供一种用于制备碳量子点纳米金刚石复合电极的自动化控制系统，该系统包括：

25、溶液制备控制单元，用于控制柠檬酸、尿素、硼酸在去离子水中的溶解过程，纳米金刚石粉的添加量及高频超声处理的时间和功率，以及微波炉加热的功率和时间；

26、研磨控制单元，与溶液制备控制单元连接，用于控制研磨模块的研磨参数，以将黄褐色固体复合物研磨成碳量子点纳米金刚石复合材料；

27、掺硼金刚石薄膜制备控制单元，用于控制微波等离子化学气相沉积法中的生长参数，如生长压强、气体流量、衬底温度以及微波功率等；

28、复合电极制备控制单元，与掺硼金刚石薄膜制备控制单元连接，用于控制碳量子点纳米金刚石复合材料的超声处理过程、悬浊液的滴涂量及恒温烘干的时间和温度，以形成碳量子点纳米金刚石复合电极。

29、第一，本发明首次在碳量子点的反应前驱物中添加不同质量比的纳米金刚石粉制备碳量子点纳米金刚石复合材料并进行电化学传感应用。具体描述如下：

30、本发明制备碳量子点纳米金刚石复合材料，将柠檬酸、尿素、硼酸溶解在适量去离子水中形成无色透明溶液，然后添加适量纳米金刚石粉，经高频超声处理60 min，将所得溶液置于微波炉中于800 w功率下加热10 min，溶液由无色变成浅黄色直至变成黄褐色固体复合物，研磨得到碳量子点纳米金刚石复合材料。

31、碳量子点纳米金刚石复合结构是本发明专利所涉及的主要内容和重要创新点。并且制备方法工艺简单，便于大规模制备。本发明对金刚石传感器在广泛的工业领域中检测低浓度和痕量化学和生物分子具有重要意义。

32、第二，本发明制备碳量子点纳米金刚石复合电极，将碳量子点纳米金刚石复合材料置于适量去离子水中，经高频超声处理30 min，碳量子点纳米金刚石悬浊液滴涂在硼掺杂金刚石膜电极上，80 ℃恒温烘干，得到碳量子点纳米金刚石复合电极传感器。该传感器的碳量子点纳米金刚石复合结构大大提高了电极的表面积，为检测痕量分子提供更多反应位点。以检测阿霉素为例，线性检测范围介于10 nm到1000 nm。随着阿霉素浓度的增加，氧化峰电流呈线性增加，根据信噪比三倍的标准差进行计算，得到复合电极对阿霉素的检测限为1.8 nm，基此制作的传感器可大幅降低化学分子的检测限。

33、第三，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

34、本发明制备新型碳量子点纳米金刚石复合电极，为开发高灵敏便携式快速检测设备的电极研发提供重要依据，构建污染物检测大数据云平台，促进污染物检测从“被动防控”向“主动防控”转变。

35、本发明运行成本低，研发的高灵敏电极制备成本低，将本发明研发的电极应用于多检测领域，例如检测农药类，有机污染物等有害物质监测水质安全；检测黄曲霉素、瘦肉精等物质确保食品安全等，投入市场有望获得巨额利润。由于高灵敏检测领域需求巨大，基于本发明研究的电极产品可应用于便携式设备产业化开发，将推动检测材料领域相关的新兴产业构建与发展，可获得更大的经济效益和社会效益。

36、本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

37、本发明首次在碳量子点的反应前驱物中添加不同质量比的纳米金刚石粉制备碳量子点纳米金刚石复合材料并进行电化学传感应用。

38、本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

39、本发明开发一种工艺简单、成本低、产率高的可用于大批量生产并能够达到高质量高性价比的碳量子点纳米金刚石复合材料的制备方法。

40、第四，本发明提供了一种碳量子点纳米金刚石复合电极的制备方法，有效解决了传统电极在性能上的不足。特别是，通过将碳量子点和纳米金刚石粉的结合，经过特定的处理工艺，成功制备出了性能优越的复合电极材料。这种材料不仅具有优异的电化学性能，还具备高稳定性和长寿命，为电化学领域的研究和应用提供了新的。

41、首先，在制备过程中，本发明通过高频超声处理和微波炉加热的方法，实现了碳量子点和纳米金刚石粉的均匀混合和有效复合，从而提高了复合电极的整体性能。其次，采用微波等离子化学气相沉积法制备的硼掺杂金刚石薄膜，为复合电极提供了稳定的基础。此外，本发明还优化了制备参数，如生长压强、气体流量、衬底温度等，进一步提升了掺硼金刚石薄膜的质量和性能。

42、本发明的制备方法具有多个创新点。一方面，通过精确控制柠檬酸、尿素、硼酸以及纳米金刚石粉的比例，实现了复合材料的最佳性能。另一方面，利用高频超声处理和微波炉加热的结合，提高了材料的复合效率和质量。同时，微波等离子化学气相沉积法的应用，为制备高质量、高性能的硼掺杂金刚石薄膜提供了有效手段。

43、本发明的碳量子点纳米金刚石复合电极具有广泛的应用前景。在电化学领域，它可以用于制备高性能的超级电容器、电池等器件，提高能量密度和功率密度。此外，在生物传感、环境监测等领域，该复合电极也展现出良好的应用潜力。随着对电极材料性能要求的不断提高，本发明制备的碳量子点纳米金刚石复合电极有望得到更广泛地应用。

44、第五，现有的碳基电极材料在电化学性能、稳定性和制备工艺上存在一些不足。首先，传统碳基电极材料如石墨烯、碳纳米管等在高电流密度下容易发生结构破坏，导致电化学性能衰减。其次，这些材料在电极制备过程中常常需要复杂的工艺步骤和高成本的设备，增加了生产成本。此外，碳基电极材料在实际应用中的稳定性和一致性较差，难以满足工业化生产的需求。为了解决这些问题，本发明提出了一种碳量子点纳米金刚石复合电极的制备方法，通过优化材料配比和制备工艺，提高电极的电化学性能和稳定性，同时简化了制备过程，降低了生产成本。

45、本发明通过将柠檬酸、尿素、硼酸和纳米金刚石粉在去离子水中形成无色透明溶液，经高频超声处理和微波加热，制备得到碳量子点纳米金刚石复合材料。随后，采用微波等离子化学气相沉积法在2.45 ghz下制备p型硅衬底上的多晶掺硼金刚石薄膜。最终，将碳量子点纳米金刚石复合材料经高频超声处理后滴涂在硼掺杂金刚石膜电极上，并在80 ℃恒温下烘干，得到复合电极。这一创新技术方案通过纳米金刚石与碳量子点的结合，显著提升了电极的电化学性能，同时通过微波等离子体cvd方法提高了电极的制备效率和一致性。

46、通过本发明的方法制备的碳量子点纳米金刚石复合电极在电化学性能和稳定性方面表现出显著的进步。首先，复合电极在高电流密度下表现出优异的稳定性和导电性，有效避免了传统碳基电极材料在高电流密度下的结构破坏问题。其次，制备过程中使用了高频超声处理和微波加热技术，大大简化了工艺步骤，减少了生产成本和时间。此外，掺硼金刚石薄膜在硅、ti等基底上异质外延生长，进一步提高了电极材料的机械强度和电化学稳定性。整体而言，本发明提供了一种高效、稳定、成本低的碳基电极材料制备方法，具有广泛的应用前景。

47、本发明所制备的碳量子点纳米金刚石复合电极在电化学性能、稳定性和制备成本上均具有显著优势，具有广泛的市场应用前景。在能源储存、传感器、生物医学等领域，复合电极材料的高导电性和稳定性将显著提高设备的性能和可靠性，延长使用寿命，降低维护成本。同时，由于制备工艺简化和成本降低，工业化生产将变得更加经济高效，进一步推动该技术在各行业中的应用与推广。总之，本发明在解决现有技术问题的同时，实现了显著的技术进步，具有重要的经济效益和应用价值。