基于石墨烯的化学修饰电极的制备及应用.pdf

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1、基于石墨烯的化学修饰电极的制备及应用世界上有这么种物质，它透明，有韧性，它极其坚硬，防水，它存量丰富，经济实惠并且它的电阻率是世界上已知物质中最小的。它就是石墨烯，一种拥有完美性能的材料，科学[1]家和企业家都为之着迷。1.1石墨烯石墨烯（Graphere）是由碳原子组成的单层二维六角晶格结构的碳质新型纳米材料，具有极高的机械强度、极大的比表面积、优异的导电性能、很高的层内载流子迁移速率、优异的导电能力、良好的生物亲和性、近乎完美的量子隧道效应、几乎从不消失的室温铁磁性等一系列优良的特殊性质。自从英国曼

2、彻斯特大学的两位科学家AndreGeim和KonstantinNovoselov因在石墨烯研究领域的卓越研究而被授予了2010年的诺贝尔奖，由此，石墨烯逐[2]渐成为当今自然科学的热点领域之一。1.2石墨烯的制备目前实验室制备石墨烯的方法主要有微机械剥离法、化学气相沉淀法、碳化热热解的外延生长法、氧化石墨还原法、石墨插层法、溶剂热法、芳香偶联法、电化学法、碳纳米管转换法和液相剥离法等。1.2.1微机械剥离法2010年诺贝尔奖得主使用胶带粘贴制备石墨烯的方法便是属于微机械剥离法。其原理便是石墨中的碳原子呈

3、层状结构，层间以范德华力结合，原子间作用力相对化学键来说比较弱，故可以施加外力即可将石墨烯从石墨表面撕扯下来。其特点便是简单，但该方法耗时长产物少、过程不可控，不可能用于石墨大规模制备。1.2.2化学气相沉淀法化学气相沉淀法是一种本质上属于原子范畴的气态传质过程，主要原理是将碳氢化合物吸附于具有催化活性的反应基片上，在相当高的温度下使得碳氢化合物在催化条件上脱氢而在基底上形成石墨烯。该方法简单易行，能获得表面积较大的石墨烯，但反应不可控，且难以与固体基底剥离。1.2.3碳化热热解的外延生长法该方法原理是

4、通过加热SiC单晶表面使得Si发生脱附而在原有表面形成单层石墨烯。其形成的石墨烯厚度可控且洁净无杂质，但仍然难以制备大面积的石墨烯、并且仪器设备要求及成本都很高。1.2.4氧化还原石墨法氧化还原石墨法首先用强氧化剂处理天然鳞片石墨使得石墨边缘附近带上环氧基、羧基、羟基等亲水基团而成为氧化石墨，进一步通过水相超声等方法剥离氧化石墨，最后用还原剂还原氧化石墨烯而得到石墨烯的过程。这种方法操作方便，条件易于实现，且能满足石墨烯工业化产量的要求，但存在制备所得的石墨烯层数不可靠控、带有一定量杂质基团等缺陷。1.

5、2.5微波法即为在微波条件下进行氧化还原制得石墨烯的过程。该方法具有反应速度快、条件温和、设备要求简单的优点，但还原程度不易控制。1.2.6溶剂热法利用溶剂在高于其临界温度和临界压力的情况下能溶解更多物质并能使一些原来难以发生的反应发生或者加速反应的性质，将常规无机碳源投入一定的溶剂中在催化剂存在下反应生成石墨烯。该方法合成速度快，过程简单，但产物石墨烯的形态不易控制。1.2.7芳香偶联法从芳香族小分子出发，通过控制反应条件使其之发生偶联反应合成石墨烯的方法。该方法能获得面积较大的石墨烯，但反应步骤多，

6、时间长，容易脱氢不完全且金属催化剂易造成环境污染。1.2.8碳纳米管转换法将单壁碳纳米管固定在Si基底上，利用分子刻蚀技术将碳纳米管沿纵向切开即可得到单层的石墨烯。该方法得到的石墨烯层数及宽度可控且边缘光滑，但对实验设备要求高，难以满足大量制备的要求。1.2.9电化学法将高纯度的石墨棒平行放置于离子液体中，于10-20V电位下采用循环伏安法扫描30min后石墨棒被氧化，用无水乙醇溶解电解槽中的黑色沉淀物，干燥后得到离子液体功能化的石墨烯。该方法可直接制备出功能化的石墨烯，但所制备的石墨烯通常厚度大于单层

7、厚度，质量[3]不可控。2.1化学修饰电极化学修饰电极(CME)是70年代中期发展起来的一门新兴的、也是目前非常活跃的电化学和电分析化学的前沿领域。化学修饰电极是由导体或半导体作的电极，在表面涂敷单分子的、多分子的、离子的或聚合物的具有选择性化学基团的一层薄膜(从单分子到几个微米)，借Faraday反应而呈现出该修饰膜的化学的、电化学的性质。通过共价键、吸附、聚合等手段有目的地进将具有功能性的物质引入电极表面，使电极赋予新的、特定的过程称为电极的化学修饰，所得到的电极称为化学修饰电极。2.1.1化学修饰

8、电极的预处理在采取任何修饰步骤之前，必须首先对电极进行表面的预处理，其目的是为了获得一种新鲜的、活性的和重现性好的电极表面初始状态，以利于后续修饰过程的进行;另一个重要的目的是，为取得溶液中氧化还原体在裸电极上反应的电化学参数(包括式电位和电极反应速率常数)，以期与接着在电极表面上的行为比较。电极表面的预处理一般步骤：①机械打磨和抛光；②电极的活化处理。2.1.2化学修饰电极的制备化学修饰电极一般分为化学修饰电极按其修饰的方法一般分为共价键