三维石墨烯传感器

电极是电化学传感器的核心材料。由于碳材料(活性炭,玻璃碳,碳纳米管和石墨等)具有导电性、化学稳定性且易加工等特点,已被广泛地应用于电化学电极材料之中。 而石墨烯作为一种新型的二维纳米碳材料,拥有更加优异的导电性能和极高的比表面积,现已成为新型碳材料电极的最佳选择。

三维石墨烯结构

新加坡南洋理工大学张华教授的课题组对氧化石墨烯的功能化修饰及其在电化学方面的应用做出了较多的探讨与研究,他们的工作也进一步肯定了石墨烯在电化学上具有广阔的应用前景。 在2011年时,张教授的课题组就研制出了一种具有三维结构的新型石墨烯材料,并将其应用于电化学电容器(超级电容器)。该材料利用化学气相沉积法并在高温反应下合成而出。这种新材料不仅具备极低的缺陷密度和优异的导电性能,而其三维多孔的结构增加了电极的比表面积,这有助于沉积在其表面的活性物质与电解质离子快速的接触。值得指出的是,与传统的基于氧化石墨烯制备石电极材料不同,他们的方法可以避免氧化石墨烯片在制备电极过程中相互堆积从而确保石墨烯的高比表面积特性。此外,从泡沫镍上直接析出的三维石墨烯与集电极之间拥有极佳的电学接触,因此成为了一个有效的媒介将电荷快速地从活性物质向集电极传输。

三维石墨烯材料在电化学电容器上的成功应用,激励了张教授的团队继续探讨该种新型材料在其他领域中的应用。三维石墨烯材料优秀的导电性能、快速的电荷传输特性及三维多孔结构等特性都是一个电化学传感器电极所需要的,由此他们预测三维石墨烯材料也可以应用于电化学传感器之中,而通过对三维石墨烯的进一步功能化修饰还可能进一步提高传感器的性能

张教授在接受MaterialsViewsChina采访时说:“该项目我们是从2011年6月开始,到2012年3月结束。 在研究初期,我们曾计划用原位合成的方式,采用化学气相沉积法将碳纳米管直接生长在三维石墨烯表面,来得到三维石墨烯/碳纳米管复合材料。但是由于催化剂纳米颗粒难以完全去除,影响到电化学传感器的测试结果,因此我们后期采用了电泳法将商业化的多壁碳纳米管沉积在石墨烯表面来制备三维石墨烯/碳纳米管的复合材料。 ”

在实验进行中,研究人员也发现了三维石墨烯的一些弊端。由于三维石墨烯的合成利用了化学气相沉积法且在高温下完成,所以导致其表面不像氧化石墨烯那样带有较多的亲水基团,这不利于在水相体系中对其作进一步的表面修饰。为了解决该问题,他们优化了石墨烯的修饰条件并采用了有机溶剂反应体系(或对三维石墨烯进行电化学亲水预处理)。另外,由于三维石墨烯的密度小和疏水性,若直接作为电极,其会漂浮在水面上,因此他们采用玻璃片作为基板,并将三维石墨烯用硅胶固定在玻璃片之上。三维石墨烯在去除了泡沫镍基板之后,在电化学测试时搅拌产生的切应力容易导致其破裂,而改进三维石墨烯合成条件,在适当增加石墨烯膜的厚度后可较好地解决该问题。

该项工作以化学气相沉积法合成的三维石墨烯来制备电化学传感器电极,为该领域提供了一个新型的材料和研究方向。通过改进合成方法,提高三维石墨烯产率,并降低生产成本,三维石墨烯将具有极大的商业潜能。

在这项工作中,石墨烯主要起了一个导电基板的作用,但是张教授的团队却发现三维石墨烯本身也会对检测物产生响应。其结构孔径大小,石墨烯膜的厚度,都将影响三维石墨烯的导电性和比表面积,并进一步影响传感器的性能。张教授指出,后续工作将深入研究三维石墨烯的性质对电化学传感器性能的影响。另一方面,该工作以检测双氧水分子为实例验证了三维石墨烯在电化学传感器上的潜在应用。张教授还指出,通过对三维石墨烯的针对性修饰,还可以拓展到其他方面上的检测,例如重金属离子,水体毒性检测,有毒气体检测等。

随着纳米材料和技术的蓬勃发展,电化学传感器将向着更加微型化和便携化方向发展。通过充分认识石墨烯的特性以及对其进行功能化修饰的深入研究,必将涌现出各种类型的基于石墨烯的新型复合材料。张教授最后阐述道,石墨烯在电化学传感器上的研究热点将是如何降低传感器成本,并提高其精度、灵敏度、选择性和对多样检测物的同时检测能力。

徐 广臣 About 徐 广臣

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。

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