基于石墨烯的 pH 傳感器是一種穩(wěn)健、耐用、靈敏且可擴(kuò)展的方法，用于在各種環(huán)境中靈敏檢測 pH。 然而，石墨烯響應(yīng) pH 變化的機(jī)制尚不清楚。這項(xiàng)研究為基于石墨烯的 pH 傳感器的表面科學(xué)提供了新的視角，以解決有關(guān)傳感響應(yīng)、缺陷的作用和表面/溶液相互作用的文獻(xiàn)之間存在的差距和不一致。 在這里，我們證明了傳感響應(yīng)對石墨烯缺陷密度水平的依賴性，通過拉曼光譜測量。 在交叉點(diǎn) (ID/IG=0.35)，兩個(gè)抵消機(jī)制相互平衡，將兩個(gè)區(qū)域分開，其中表面缺陷誘導(dǎo)（負(fù)斜率）或雙層誘導(dǎo)（正斜率）響應(yīng)占主導(dǎo)地位。對于高于 0.35 的比率，表面官能團(tuán)（pH 敏感基團(tuán)和非敏感基團(tuán)）處的pH依賴性電荷感應(yīng)主導(dǎo)了器件響應(yīng)。低于0.35的比率，由于石墨烯表面和電解質(zhì)溶液之間的相互作用形成雙電層，響應(yīng)由石墨烯中電荷載流子的調(diào)制主導(dǎo)。表面的選擇性功能化被用來揭示羧基和胺基在低 pH 值下的主要酸堿相互作用，而羥基控制高pH值范圍敏感性。石墨烯的整體pH傳感特性將由這兩種機(jī)制的平衡決定。
圖1。(a)化學(xué)電阻傳感器的示意圖和實(shí)像，該傳感器由玻璃基板、作為觸點(diǎn)的鉛筆畫矩形、作為有源層的FLG、用于觸點(diǎn)的銅帶和作為電介質(zhì)的石蠟?zāi)そM成。 (b) 1微米和 (c) 100納米的不同放大率下，在玻璃基板上滴鑄FLG的SEM圖像。
圖2。(a)超聲處理 6小時(shí)、12小時(shí)和18小時(shí)的拉曼光譜揭示了缺陷密度水平的變化。超聲處理樣品的化學(xué)電阻傳感性能: (b) 6小時(shí)，(c) 12小時(shí)，和(d) 18小時(shí)的超聲處理。(e)相應(yīng)傳感器的校準(zhǔn)曲線。(f)通過內(nèi)徑/內(nèi)徑變化繪制的靈敏度變化圖。
圖 3. N
2 退火傳感器 (a,b) 1小時(shí)、(c,d) 4 小時(shí)和 (e,f) 8 小時(shí)的傳感校準(zhǔn)曲線和示意圖。
圖 4. (a) N
2/H
2 退火樣品的拉曼光譜，(b) I
2D/I
G 隨退火持續(xù)時(shí)間的變化，(c) I
D/I
G 與退火持續(xù)時(shí)間的圖，(d) I
D/I
G 與 I
D' 的圖 /I
G 代表缺陷密度階段。
圖 5. (a-c) 1 h、(d-f) 4 h、(g-i) 6 h 和 (j-l) 8 h N2/H2 退火傳感器的傳感器性能、校準(zhǔn)曲線和示意圖，分別。由于（m）酸性溶液和（n）堿性溶液在石墨烯/溶液界面處存在雙層，表面電荷調(diào)制的示意圖模型。
圖 6. 芘衍生物功能化 FLG 在不同 pH 值下的紫外-可見光譜 (a) Py-NH2/FLG, (b) Py-OH/FLG, (c) PyCHO/FLG, (d) Py-COOH/ FLG。
圖 7. PD功能化傳感器的傳感性能。 （a） Py-NH2/FLG (b) Py-CHO/FLG (c) Py-COOH/FLG (d) Py-OH/FLG (e) 不同pH 值下官能團(tuán)的缺陷誘導(dǎo)機(jī)制示意圖。 紅點(diǎn)代表雙層。
圖 8. 石墨烯的 pH 敏感性與表面缺陷密度的關(guān)系。插圖顯示了空白、退火和超聲處理樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
相關(guān)科研成果由麥克馬斯特大學(xué)Peter Kruse等人于2021年發(fā)表在ACS Langmuir（https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c02088）上。原文：石墨烯缺陷工程調(diào)節(jié)石墨烯器件的 pH 響應(yīng)。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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