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华南理工大学研发出可规模化制造的纸基电化学传感器

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近日,华南理工大学(South China University of Technology,SCUT)在 npj Flexible Electronics 期刊上报道了一种新型复合纸电极——使用纤维素、碳纤维(carbon fibers,CF)和氧化石墨烯(graphene oxide,GO)通过已有的造纸工艺制造而成。这种复合纸具有良好的结构可控性、稳定性和可重复性,为高灵敏和选择性的化学检测

近日,华南理工大学(South China University of Technology,SCUT)在 npj Flexible Electronics 期刊上报道了一种新型复合纸电极——使用纤维素、碳纤维(carbon fibers,CF)和氧化石墨烯(graphene oxide,GO)通过已有的造纸工艺制造而成。这种复合纸具有良好的结构可控性、稳定性和可重复性,为高灵敏和选择性的化学检测提供了电催化活性。

大规模制备高性能纸基电化学传感器

作为便携式一次性电化学传感器的基材,纤维素基纸因其成本低、重量轻和可生物降解而受到了广泛关注。制造纸基电化学传感器的典型路线是通过后功能化方法(例如印刷)将具有导电性和电催化活性的组分沉积到纸基材表面。然而,纸基电化学传感器广泛使用的一个关键要求,是可规模化地制造具有可重复性的稳定、低成本的纸基电极,这仍然是一个挑战。

推进纸基电化学传感器实际应用的挑战在于两个方面:首先,由于基材特征(例如孔隙率、网络和表面)的多样性、复杂的工艺和小批量生产的苛刻条件,使得已报道的纸基传感器的性能在很大程度上存在差异,从而导致再现性和准确度不确定的关键问题;其次,纸基传感器的表面必须经过专门设计和改性,才能满足选择性检测的要求,并且纸基传感器的性能无法大范围地控制。这些挑战很难解决,除非具有良好控制结构和嵌入功能的标准纸电极可以大规模生产,并且无需表面处理即可直接使用。然而,由于纤维素纤维与功能材料之间缺乏键合力和相互作用,因此在大批量生产中很难将功能材料与纸张整合到规定的结构和区域中。

华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室副主任王小慧教授课题组制造出了一种低成本复合纸,该复合纸具有适合电化学传感的导电和电催化性能。与通过表面改性(如印刷)制备的其他纸基传感器相比,该复合纸是通过传统造纸技术制备的,因此在可重复性和扩展性方面具有优势。使用造纸技术制备具有可重复性、稳定且均匀的复合纸的一个关键要求是纤维素、CF和GO必须均匀分散在水中以制成纸浆。通过研究不同原料配比的电化学传感和力学性能,CF/纤维素/GO的最佳配比确定为1/1/0.17。

华南理工大学王小慧教授

CF/GO/纤维素纸的制备与表征

这项研究工作具有三个重要特征。首先,控制界面相互作用对于由等量的纤维素和碳纤维生成复合材料,以及将GO片组装到纤维素纤维上至关重要。其次,GO的还原赋予了复合材料电催化活性,这种还原是通过温和(<1V,持续几分钟)、可扩展的电化学反应进行的。第三,这种复合纸具有几个有用的特性:可以使用简单的切割操作进行图案化;在水中灵敏且稳定;其电催化活性可以进行灵敏和选择性的化学分析。研究人员认为复合材料的这些特性为实现便携式、低成本和可持续纸基电化学检测提供了可能。

复合纸中GO的电化学还原

 

据麦姆斯咨询报道

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