Vật liệu mảng nano Graphene và xúc tác cảm biến

0
2170

Graphene là tên gọi của họ các graphitic như 0D fullerene, 1D ống carbon (CNTs), và 3D graphite (Hình 1). Graphene có cấu trúc đơn lớp của các nguyên tử carbon sp2 sắp xếp thành những mắt lưới lục giác đều tạo thành bề mặt có độ dàn trải cao,[1] cấu trúc tinh thể chặt chẽ, linh động cho sự di chuyển của electron, độ bền cao [2], cũng như độ bền nhiệt và tính dẫn điện tuyệt hảo [3,4]. Ở nhiệt độ phòng nó thể hiện Hiệu ứng lượng tử phân đoạn Hall (fractional quantum Hall effect) [5-7] và hiệu ứng điện trường ambipolar trong sự truyền dẫn các hạt mang điện [8]. Những đặc tính nổi bật này quyết định khả năng ứng dụng của graphene như một loại vật liệu lý tưởng cho viêc xây dựng các khối vật liệu nano và  những tính chất cũng thu hút nhiều sự chú ý trong các nghiên cứu cơ bản vài thập kỷ qua.

graphene
Hình 1: Các dạng sắp xếp theo cấu trúc của phân tử carbon sp2 (A) fullerene, (B) đơn ống carbon, (C) graphene và (D) graphite [9].

Nhiều phương pháp điều chế mảng nano graphene (Graphene nanosheets – GNs) đã được đề cập, trong đó các phương pháp thường dùng nhất là phương pháp bóc tách (micromechanical exfoliation) [5,10], ngưng tụ hơi hóa học (chemical vapor deposition – CVD) [11,12], tăng trưởng – ghép epitaxy (epitaxial growth) [13,14], phương pháp hữu cơ (organic synthesis) [15,16], và từ hệ keo Graphene oxide (colloidal suspension) [17]. Nhiều hệ hợp chất nano trên nền GNs đã đươc điều chế trực tiếp từ sự khử GO [18-21]. Hơn nữa với bề mặt có độ dàn trải cao GNs có thể dễ dàng tham gia vào cấu trúc của hợp chất nano cũng như pha tạp các phân tử vào lưới graphene.

Trong các ứng dụng điện hóa,  với nhiều tính chất đặc biệt như độ dẫn điện cao, khả năng đáp ứng rộng và hoạt động xúc tác điện hóa đa dạng vật liệu trên nền graphene đã được ứng dụng rộng rãi như một biện pháp cải tiến điện cực. Hơn nữa trên lý thuyết vật liệu nano trên nền graphene có diện tích bề mặt riêng  (specific surface area-SSA) lớn cũng là dặc điểm đáng chú ý để phát triển vật liệu xúc tác cảm ứng điện hóa có giá thành tốt và hiệu quả cao. Graphene và vật liệu dẫn xuất graphene cũng đã được ứng dụng thành công trong việc xác định của các hợp chất khác nhau, đặc biệt là trong lĩnh vực dược phẩm.

Ví dụ, xúc tác cảm ứng được Sang và các đồng nghiệp [22] điều chế từ vật liệu graphene trên bề mặt silica bằng phương pháp không xúc tác (catalyst-free method). Điện cực cải tiến dùng vật liệu graphene đã điều chế tráng điện cực carbon thủy tinh (glassy cacbon electrode – GCE) được áp dụng trong việc xác định đồng thời ascorbic acid, uric acid and dopamine với hiệu quả tốt. Zhou và các cộng sự [23] sử dụng GNs được điều chế bằng phương pháp chức năng hóa bề mặt graphene với SO3 để tạo ra những  tấm graphehe tách biệt để tạo ra vật liệu xúc tác hoạt động như một cảm biến H2O2 sinh học. Vật liệu xúc tác này đã được điều chế bằng phương pháp cố định hóa graphene và horseradish peroxidase (HRP) vào trong chuối chitosan sau đó các hạt nano Au được đưa vào bằng phương pháp ngưng tụ điện hóa (electrodeposition). GNs được chứng minh là không những tăng cường khả năng cảm ứng mà còn thể hiện phạm vi tuyến tính rộng (wide linear range) cũng như ít hạn chế trong việc dò tìm. Shan và các cộng sự [24] đã điều chế dịch ion lỏng (ionic liquid – IL) chức năng hóa graphene-chitosan cải tiến GCE hoạt động như một cảm biến sử dụng dòng điện điện thế thấp để phát hiện nicotinamide adenine dinucleotide – NADH cũng như phân tích nhanh ethanol. Đáng lưu ý là vật liệu nano đã giảm thiểu thế oxi hóa của NADH đồng thời cũng thể hiện độ nhạy và khả năng phản hồi điện hóa tốt. Dong và các cộng sự [25] phát triển cảm biến điện dựa trên vật liệu lai ZnO/Graphene cải tiến GCE, Cảm biến đã được tạo thành bằng phương pháp phát triển thanh nano ZnO tại chỗ (in situ growth) và phương pháp bay hơi lắng đọng hóa học (chemical vapor deposition – CVD) bọt graphene. Vật liệu lai ZnO/Graphene đã thể hiện độ nhạy cao trong việc phát hiện [Fe(CN)6]3+ cũng như dopamine. Tính chất điện hóa đặc biệt của nó có thể do diện tích bề mặt riêng lớn và cấu trúc 3D của graphene cũng như khả năng dẫn điện cao (high charge transfer) của các thanh ZnO. Kang và các cộng sự [26] đã đề xuất một loại xúc tác cảm biến điện hóa dò tìm paracetamol sử dụng GNs chức năng hóa bởi nhóm hydroxyl và carboxylic. Cảm biến điện hóa trên nền graphene này cho thấy hiệu suất cao trong việc dò tìm paracetamol với độ nhạy khoảng 3.2×10−8 mol L-1. Yin và cộng sự [27] đã điều chế màng mỏng hợp chất graphene-chitosan để cải tiến GCE dùng để dò 4-aminophenol (4-AP). Dưới điều kiện thí nghiệm tối ưu, cảm biến có thể dò được lượng 4-AP với nồng độ 5.7×10−8 mol L-1. Kim và các cộng sự [28] đã công bố việc điều chế graphene bằng phương pháp Hummer cải tiến và áp dụng nó trong phương pháp điện hóa để dò tìm dopamine trên GCE. Kang và cộng sự [29] cũng nghiên cứu phương pháp điện hóa trực tiếp vật liệu nano glucose oxidase (GOD)-graphene-chitosan. Cảm biến được áp dụng để nhận biết glucose với độ nhạy cao và phạm vi rộng. Li và cộng sự [30] đã điều chế GNs phân tán trong Nafion dùng cải tiến điện cực mạ phim Bismuth (plated bismuth film electrode). Cảm biến sinh học này được dùng cho việc xác định hàm lượng cực chì và cadmium ở nồng độ 0.02 μg L−1.

Qua đây, có thể nói graphene là một loại vật liệu tiềm năng với nhiều tính năng đặc biệt. Trong lĩnh vực cảm biến điện hóa, nó đã được áp dụng rộng rãi với nhiều tính năng và hiệu quả cao. Khả năng áp dụng linh hoạt của nó trong việc xác định nhiều loại hợp chất cũng như chất độc là đặc điểm đáng được quan tâm nghiên cứu và phát triển.

Tài liệu tham khảo

  1. M.D. Stoller, S. Park, Y. Zhu, J. An, R.S. Ruoff, Graphene-based ultracapacitors, Nano Lett. 8 (2008) 3498-3502.
  2. C. Lee, X. Wei, J. W. Kysar, J. Hone, Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene, Sci. 321 (2008) 385-388.
  3. A.H.C. Neto, F. Guinea, N.M.R. Peres, K.S. Novoselov, A.K. Geim, The electronic properties of graphene, Rev. Mod. Phys. 81 (2009) 109-162.
  4. A.A. Balandin, S. Ghosh, W. Bao, I. Calizo, D. Teweldebrhan, F. Miao, C.N. Lau, Superior thermal conductivity of single-layer graphene, Nano Lett. 8 (2008) 902-907.
  5. K.S. Novoselov, Z. Jiang, Y. Zhang, S.V. Morozov, H.L. Stormer, U. Zeitler, J. C.Maan, G.S. Boebinger, P. Kim, A.K. Geim, Room temperature quantum hall effect in graphene, Sci. 315 (2007) 1379.
  6. K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, M.I. Katsnelson, I.V. Grigorieva, S.V. Dubonos, A.A. Firsov, Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene, Nature 438 (2005) 197-200.
  7. Y.B. Zhang, Y.W. Tan, H.L. Stormer, P. Kim, Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry’s phase in graphene, Nature 438 (2005) 201-204.
  8. K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V.Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A. Firsov, Electric field effect in atomically thin carbon films, Sci. 306 (2004) 666-669.
  9. M. Pumera, A. Ambrosi, A. Bonanni, E.L. Khim Chang, H. Ling Poh, Graphene for electrochemical sensing and biosensing, Trends Anal. Chem. 29 (2010) 954-965.
  10. K.A. Ritter, J.W. Lyding, Characterization of nanometer-sized, mechanically exfoliated graphene on the H-passivated Si(100) surface using scanning tunnelling microscop, Nanotechnology 19 (2008) 1-6.
  11. J. Kwak, J.H. Chu, J.K. Choi, S.D. Park, H. Go, S.Y. Kim, K. Park, S.D. Kim, Y.W. Kim, E. Yoon, S. Kodambaka, S.Y. Kwon, Near room-temperature synthesis of transfer-free graphene films, Nat. Comm. 3 (2012) 1-7.
  12. N. Xiao, X. Dong, L. Song, D. Liu, Y. Tay, S. Wu, L.J. Li, Y. Zhao, T. Yu, H. Zhang, W. Huang, H.H. Hng, P.M. Ajayan, Q. Yan, Enhanced thermopower of graphene films with oxygen plasma treatment, ACS Nano 5 (2011) 2749-2755.
  13.  P.W. Sutter, J.I. Flege, E.A.Sutter, Epitaxial graphene on ruthenium, Nat. Mater. 7 (2008) 406-411.
  14. J. Hass, W.A. de Heer, E.H. Conrad, The growth and morphology of epitaxial multilayer graphene, J. Phys.: Condens. Matter. 20 (2008) 323202-1-27.
  15. X. Wang, L. Zhi, N. Tsao, Ž. Tomovi, J. Li, K. Müllen, Transparent carbon films as electrodes in organic solar cells, Angew. Chem. Int. Ed. 47 (2008) 2990-2992.
  16. A. Rouhanipour, M. Roy, X. Feng, H.J. Räder, K. Müllen, Subliming the unsublimable: how to deposit nanographenes, Angew. Chem., Int. Ed. 48 (2009) 4602-4604.
  17. S. Park, J. An, R.D. Piner, I. Jung, D. Yang, A. Velamakanni, S.T. Nguyen and R.S. Ruoff, Aqueous suspension and characterization of chemically modified graphene sheets, Chem. Mater. 21 (2008) 6592-6594.
  18. Y. Si, E.T. Samulski, Synthesis of water soluble graphene, synthesis of water soluble graphene, Nano Lett. 6 (2008) 1679-1682.
  19. S.B. Bon, L. Valentini, R. Verdejo, J.L.G. Fierro, L. Peponi, M.A. Lopez-Manchado, J.M. Kenny, Plasma fluorination of chemically derived graphene sheets and subsequent modification with butylamine, Chem. Mater. 21 (2009) 3433-3438.
  20. D.A. Dikin, S. Stankovich, E.J. Zimney, R.D. Piner, G.H.B. Dommett, G. Evmenko, S.T. Nguyen, R.S. Ruoff, Preparation and characterization of graphene paper, Nature 448 (2007) 457-460.
  21. X.L. Li, G.Y. Zhang, X.D. Bai, X.M. Sun, X.R. Wang, E.G. Wang, H.J. Dai, High conducting graphene sheets and Langmuir blodgett films, Nat. Nanotechnology 3 (2008) 538-542.
  22. N.G. Shang, P. Papakonstantinou, M. McMullan, M. Chu, A. Stamboulis, A. Potenza, S.S. Dhesi, H. Marchetto, Catalyst-free efficient growth, orientation and biosensing properties of multilayer graphene nanoflake films with sharp edge planes, Adv. Funct. Mater. 18 (2008) 3506-3514.
  23. K. Zhou, Y. Zhu, X. Yang, J. Luo, C. Li, S. Luan, A novel hydrogen peroxide biosensor based on Au–graphene–HRP–chitosan biocomposites, Electrochem. Acta 55 (2010) 3055-3066.
  24. C. Shan, H. Yang, D. Han, Q. Zhang, A. Ivaska, L. Niu, Electrochemical determination of NADH and ethanol based on ionic liquid-functionalized graphene, Biosens. Bioelectron. 25 (2010) 1504-1508.
  25. X. Dong, Y. Cao, J. Wang, M.B. Chan-Park, L. Wang, W. Huanga, P. Chen, Hybrid structure of zinc oxide nanorods and three dimensional graphene foam for supercapacitor and electrochemical sensor applications, RSC Advances 2 (2012) 4364-4369.
  26. X. Kang, J. Wang, H. Wu, J. Liu, I.A. Aksay, Y. Lin, A graphene-based electrochemical sensor for sensitive detection of paracetamol, Talanta 81 (2010) 754-759.
  27. H. Yin, Q. Ma, Y.I Zhou, S. Ai, L. Zhu, Electrochemical behavior and voltammetric determination of 4-aminophenol based on graphene–chitosan composite film modified glassy carbon electrode, Electrochim. Acta 55 (2010) 7102-7108.
  28. Y.R. Kim, S. Bong, Y.J. Kang, Y. Yang, R.K. Mahajan, J.S. Kim, H. Kim, Electrochemical detection of dopamine in the presence of ascorbic acid using graphene modified electrodes, Biosens. Bioelectron. 25 (2010) 2366-2369.
  29. X. Kang, J. Wang, H. Wu, I.A. Aksay, J. Liu, Y. Lin, Glucose Oxidase–graphene–chitosan modified electrode for direct electrochemistry and glucose sensing, Biosens. Bioelectron. 25 (2009) 901-905.
  30. J. Li, S. Guo, Y. Zhai, E. Wang, High-sensitivity determination of lead and cadmium based on the Nafion-graphene composite film, Anal. Chim. Acta 649 (2009) 196-201.

Yêu cầu tài liệu:

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here