三維泡沫石墨烯基傳感器的制備及電化學性能研究

三維泡沫石墨烯基傳感器的制備及電化學性能研究導師：岳紅彥學生：常靖匯報提綱研究目的及意義1研究方案2結(jié)構(gòu)與形貌的表征3電化學性能測試4結(jié)論5一、研究目的及意義石墨烯目前是科學領(lǐng)域和實際應用的熱點話題。傳統(tǒng)制備石墨烯的方法為化學氧化法，雖成本低廉且產(chǎn)量大，但此法生產(chǎn)出的石墨烯內(nèi)部含有大量缺陷，使其電導性能大大降低，對尿酸檢測的靈敏度低。關(guān)鍵：低密度、高孔隙率、大比表面積及導電性能良好的石墨烯材料為各領(lǐng)域所需。一、研究目的及意義三維泡沫狀石墨烯具有三維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅具有極低的密度、極高的孔隙率和高比表面積，而且還具有石墨烯優(yōu)異的電學、熱學、力學性能，拓展了石墨烯的物理性質(zhì)和應用空間。一、研究目的及意義尿酸（UA），是人體的一個主要嘌呤代謝產(chǎn)物，尿酸水平異?？蓪е乱恍┏Ｒ娂膊〉陌l(fā)生，如痛風、高尿酸血癥和帕金森氏病等。一、研究目的及意義血尿酸檢測對于一些疾病的預防，病情的延緩及治療過程的指導等都有重要意義。一、研究目的及意義抗壞血酸（AA），是人類飲食中的一種重要維生素，是人體內(nèi)最主要的抗氧化物質(zhì)。一、研究目的及意義尿酸、抗壞血酸這兩種物質(zhì)，在人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和血清中的細胞外液中共存。尿酸、抗壞血酸的氧化電位相近，傳統(tǒng)固體電極的生物傳感器比表面積不足，電導性能差，其對尿酸的選擇性和靈敏度很差。電化學方法結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、靈敏度高、選擇性好，已被廣泛應用。高性能液相色譜法、酶方法等定量檢測方法雖然靈敏度高，但成本高、實驗條件有限。一、研究目的及意義

本論文旨在采用化學氣相沉積（CVD）技術(shù)，以三維多孔的泡沫鎳為模板和催化劑，甲烷為碳源，氫氣和氬氣為保護氣在適當?shù)臈l件下合成高孔隙率、大比表面積、導電性能良好的三維泡沫石墨烯，并將其轉(zhuǎn)移到ITO導電玻璃上做成電化學生物傳感器的修飾電極，用于在抗壞血酸（AA）的干擾下對尿酸（UA）的檢測，解決了傳統(tǒng)平面式生物傳感器對尿酸檢測選擇性差、靈敏度低、檢測限高以及重復性差等缺點。二、研究方案甲烷CVD1000℃PMMA180℃30min泡沫石墨烯（含鎳）刻蝕80℃4-5h60℃1h常溫蒸餾水洗冷凍干燥-40℃熱處理450℃1h3D泡沫石墨烯丙酮轉(zhuǎn)移到ITO上氬氣氫氣鹽酸3M泡沫鎳三維泡沫石墨烯的制備二、研究方案(a)(b)(a)CVD實物圖(b)CVD示意圖二、研究方案泡沫鎳CVD去除泡沫鎳GFUAe-AAe-ALLITOGlassCVDDHA三維泡沫石墨烯修飾電極制備和檢測示意圖二、研究方案測試方案CVDPV不同速率不同濃度不同電極不同濃度UAUAAA,UAAA,UAUAGCGF電化學性能測試AA+UA三、結(jié)構(gòu)與形貌的表征兩個可見特征衍射峰依次為26.5°、54.6°，分別對應(002)及(004)晶面。衍射峰中沒有觀察到其它雜質(zhì)的衍射峰值說明產(chǎn)物較為純凈。1578cm-1及2685cm-1處有明顯的特征峰，分別對應G帶和2D帶。2D峰的出現(xiàn)表明制備的GF具有高質(zhì)量。圖譜中沒有發(fā)現(xiàn)由缺陷引起的D峰(1350cm-1左右)，證明樣品具有高質(zhì)量。圖aGF的XRD圖譜；圖bGF的Raman圖譜三、結(jié)構(gòu)與形貌的表征abdecfdecf10mm100mm10mm100mm圖a泡沫鎳的宏觀圖；圖b泡沫石墨烯（上）及泡沫鎳（下）宏觀圖；圖c泡沫鎳的SEM圖；圖d石墨烯包覆泡沫鎳生的SEM圖；圖e去除鎳后的GF形貌圖；圖f10μm下的3DGF的SEM圖四、電化學性能測試圖a和b分別為GC電極和GF電極在1mMUA和1mMAA中的CV曲線，掃描速率為50mVs-1四、電化學性能測試圖a為不同濃度UA的CV曲線，從下至上分別對應UA濃度為0.5μM、1.0μM、2.5μM、5.0μM、10μM、20μM、40μM、60μM、80μM以及100μM；圖b為UA濃度與電流的線性擬合圖四、電化學性能測試圖a為1mM

UA在不同掃描速率下的CV曲線，從下至上對應的掃描速率分別為10mV/s、30mV/s、50mV/s、75mV/s、90mV/s；圖b為掃描速率的平方根與電流的線性擬合圖四、電化學性能測試圖a為不同濃度的低濃度UA的DPV曲線，由下至上UA的濃度依次為0.0025μM、0.05μM、0.1μM、0.25μM、0.5μM、0.75μM和1μM；圖b為UA濃度與電流的線性擬合圖。

在UA濃度范圍為25nM~0.1μM時，IUA(μA)=1.26+9.44CUA(μM)；當UA濃度為0.1μM~1μM，

IUA(μA)=2.07+1.85CUA(μM)。此時UA的濃度在25nM~0.1μM和0.1μM~1μM的范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度分別為9.44μM/μA和1.85μM/μA，對應UA的檢測限分別為25nM和3nM。四、電化學性能測試

圖a為不同濃度的高濃度UA的DPV曲線，由下至上UA濃度依次為0.5μM、1μM、2.5μM、5μM、10μM、20μM、40μM、60μM和80μM；圖b為UA濃度與電流的線性擬合圖。UA濃度為0.5μM~80μM時，擬合方程為：IUA(μA)=2.36+1.58CUA(μM)，。得到傳感器的靈敏度為1.58M·A-1。四、電化學性能測試圖a為在50μMAA干擾下的不同濃度的UA的DPV曲線，1μM、2.5μM、5μM、10μM、20μM、40μM、60M和80μM；圖b為UA濃度與電流的線性擬合圖。

擬合的線性方程為：IUA(μA)=2.36+1.84CUA(μM)，此時傳感器的靈敏度為1.84M·A-1，并且此時的檢測限為3nM。五、結(jié)論本文通過CVD法制備了具有三維形貌的泡沫石墨烯材料，確定了制備過程中的最佳工藝參數(shù)。并對該材料的物相組成、表面形貌以及電化學性能等進行了表征分析，并且將制備出的材料制成修飾電極，在AA的干擾下對UA進行檢測。得到以下幾個主要結(jié)論：1.石墨烯孔徑均勻、表面光滑，為三維多孔網(wǎng)絡(luò)連通結(jié)構(gòu)。2.樣品純凈無雜質(zhì)；結(jié)構(gòu)完整無缺陷，為層數(shù)較少、質(zhì)量較高的石墨烯。3.三維泡沫石墨烯修飾的ITO電極對UA進行檢測，具有較高的選擇性、準確性、