基于石墨烯纸的柔性过氧化氢电化学传感器的研究

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化学修饰电极的出现加快了电化学传感器的发展,研究人员通过使用不同的修饰物,如无机物,有机物和聚合物等,对工作电极表面结构进行修饰,大大提高了电化学传感器的灵敏度和响应速度等性能。过氧化氢(H2O2)作为工业和生活中常见的污染物,凭借着本身独特的性质对生物体内的新陈代谢有着重大的影响。因此,开发低成本且具有柔性特点的电化学传感器对H2O2实时检测具有重要意义。石墨烯是单层碳原子紧密堆积成的正六边形蜂窝状二维平面结构,具有良好的导电性、热稳定性、机械和生物兼容性,是一种前景极好的环保材料。研究表明,石墨烯是一种理想的基体材料,单层石墨烯之间可以通过π键的吸引形成均匀互锁的咬合结构,采用真空抽滤的方法制备的柔性石墨烯纸具有实际应用价值。金属纳米材料既具有金属的良好导电性性质,也包含了纳米材料的电催化活性的特点。利用不同方法制备出的金属纳米材料具有不同的晶体形貌,通过掌控这些晶体形貌,在电极表面进行设计,形成金属纳米材料与石墨烯纸的复合材料,从而提高电化学传感器的灵敏度,选择性和稳定性等。本文以石墨烯纸作为研究对象,旨在构建具有实际应用前景的柔性电化学传感器,从石墨烯纸-金属纳米复合材料和石墨烯纸-金属氧化物复合材料这两个方面出发,制备了两种不同修饰物的柔性电化学传感器应用于H2O2的实际检测。主要研究工作如下:(1)对氧化石墨烯的分散液采用简单的真空抽滤的方法制备氧化石墨烯纸并用HI还原,剥离滤纸后得到具有良好柔性的还原石墨烯纸(rGOP)。(2)以石墨烯纸作为传感器的基体,采用氯铂酸(H2PtCl6)、硫酸(H2SO4)为原料,通过电化学循环伏安法沉积Pt纳米粒子,通过不同的沉积圈数来寻求对过氧化氢响应最佳的沉积时间,采用SEM、XPS、EDX和Raman等仪器对产物的形貌及组成进行表征分析。计时电流法(i-t),循环伏安法(CV),电化学阻抗法(EIS)的研究结果表明,该传感器在沉积圈数为20圈的时候对电流响应最大且对过氧化氢的线形检测范围能达到200 nM–8.5 mM,具有较高的稳定性,较好的选择性,有望应用于实际过氧化氢的检测领域中。(3)基于层层自组装作用形成的石墨烯纸作为传感器的基体,采用硝酸铜(Cu(NO32)、氢氧化钠(NaOH)为原料,通过电化学安培计时电流法沉积八面体Cu2O,构建了一种八面体Cu2O金属氧化物修饰石墨烯纸的纳米复合材料传感器。通过不同的沉积时间以及不同的应用电位来寻求对该传感器响应性能的优化,并使用SEM、XRD、XPS、EDX和Raman等仪器对产物的形貌及组成进行表征。结果显示,在没有引入任何模版剂或表面活性剂的情况下,通过控制沉积电位,成功在石墨烯纸表面沉积八面体Cu2O。计时电流法(i-t),循环伏安法(CV),电化学阻抗法(EIS)的研究结果表明,该传感器在沉积时间为1200 s的时候对电流响应最大。当过氧化氢的浓度在5μM-5.5mM之间时,响应电流和浓度呈现出很好的线性关系。此外,该传感器具有较高的灵敏度,较好的选择性,在过氧化氢的检测领域有着潜在的应用价值。
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