液相剝離石墨烯的電化學(xué)傳感應(yīng)用

王 嬌， 劉凌波， 魏飄飄， 李曉宇， 吳康兵*

(1.華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，湖北武漢 430074；2.華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074)

1 前言

石墨烯是繼零維富勒烯和一維碳納米管之后被發(fā)現(xiàn)的又一種新型二維碳材料，它以sp2雜化的C原子連接并緊密堆積形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出許多優(yōu)異的物理化學(xué)性能，已在物理、化學(xué)、材料、能源等領(lǐng)域引起了極大地關(guān)注[1 - 5]。石墨烯的導(dǎo)電性好[6]、比表面積大[7]、催化活性高[8]，表明它具備很好的電化學(xué)傳感潛力。目前，石墨烯在電化學(xué)傳感方面也取得了廣泛的應(yīng)用，然而所采用的石墨烯主要是氧化剝離制備的氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)[9,10]，或者是再經(jīng)過還原后的還原型氧化石墨烯(Reduced Graphene Oxide，rGO)[11 - 13]。但這些石墨烯材料的制備存在操作繁瑣、需要大量化學(xué)試劑、經(jīng)濟(jì)環(huán)保性差、危險(xiǎn)性高、層狀結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重等不足[14]。

與化學(xué)氧化法制備GO不同，石墨烯的液相剝離制備方法，如超聲液相剝離、液相球磨剝離、電化學(xué)剝離等，直接通過物理或者電化學(xué)方法將石墨剝離成結(jié)構(gòu)完整的單層或多層導(dǎo)電石墨烯，其制備過程具有操作簡便、可控性強(qiáng)、高效環(huán)保以及對石墨烯本征結(jié)構(gòu)破壞小等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合本課題組的相關(guān)研究工作，本文綜述了液相剝離石墨烯的制備原理以及其電化學(xué)傳感應(yīng)用進(jìn)展。

2 液相超聲剝離石墨烯的制備及電化學(xué)傳感應(yīng)用

液相超聲剝離制備石墨烯是將一定濃度的石墨粉分散于特定的剝離試劑中，利用剝離試劑與石墨之間的插層作用，在超聲輔助作用下破壞石墨層間的范德華力，從而制備出石墨烯片。2008年，Hernandez等人[15]首次在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中，將0.1 mg/mL石墨粉超聲剝離30 min后，得到0.01 mg/mL的石墨烯懸浮液，單層石墨烯產(chǎn)率約為1wt%，如圖1所示。由于超聲剝離過程沒有引入強(qiáng)氧化試劑，因此該方法制備的石墨烯氧化程度低、石墨化程度高、導(dǎo)電性好。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶劑的表面能與石墨的表面能接近時(shí)，溶劑和石墨烯之間的界面張力最小，最利于超聲剝離石墨烯的制備。NMP、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲亞砜(DMSO)和N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)等溶劑的表面張力在40 mJ/m2左右，與石墨烯的表面能接近，表現(xiàn)出較好的石墨烯剝離效果。

圖1 液相超聲剝離制備石墨烯的濃度與溶劑表面張力之間的關(guān)系[15]Fig.1 Relationship between the concentration of liquid-phase ultrasonically-exfoliated graphene and the surface tensions of solvents[15]

2.1 NMP超聲剝離石墨烯的電化學(xué)傳感

本課題組以NMP為溶劑，通過改變超聲時(shí)間來調(diào)控剝離石墨烯的電化學(xué)傳感性能[16,17]。研究發(fā)現(xiàn)，NMP超聲剝離所制備石墨烯的電化學(xué)傳感活性，明顯高于目前廣泛使用的GO和rGO。而且隨著超聲時(shí)間的延長，得到的石墨烯納米片對生物小分子、偶氮染料和環(huán)境激素的信號越靈敏，這可能是長時(shí)間超聲引起的石墨烯片層厚度和粒徑的減小所致。為了證明該機(jī)理，本課題組發(fā)展了一種利用離心速率調(diào)控NMP剝離石墨烯結(jié)構(gòu)與傳感性能的方法[18]。研究表明，剝離石墨烯的尺寸、厚度及缺陷含量等與離心速率密切相關(guān)，進(jìn)而影響石墨烯的電化學(xué)傳感性能。本課題組還基于NMP剝離石墨烯與Bi膜的協(xié)同增敏效應(yīng)，建立了一種同時(shí)測定Cd2+和Pb2+的電化學(xué)傳感方法，檢出限分別為0.35 μg/L和0.045 μg/L，其用于紫菜樣品的分析結(jié)果與電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法吻合[19]。

在此基礎(chǔ)上，本課題組利用電化學(xué)氧化來活化NMP剝離石墨烯(EGS)，發(fā)現(xiàn)在電位1.8 V氧化 2 min 后，其電化學(xué)傳感性能得到顯著提高[20]。如圖2所示，電化學(xué)活化后的石墨烯修飾電極上多種酚類物質(zhì)的氧化電流被極大增強(qiáng)，其對鄰苯二酚、對苯二酚、對氯苯酚和對硝基酚的檢出限分別為12 nmol/L、15 nmol/L、10 nmol/L和40 nmol/L。研究表明，傳感性能的顯著改善主要源于表面含氧官能團(tuán)、邊平面缺陷水平、表面粗糙度以及電子轉(zhuǎn)移能力等因素的增強(qiáng)。

圖2 電化學(xué)活化NMP超聲剝離石墨烯的傳感示意圖[19]Fig.2 Sensing properties of NMP-exfoliated graphene that activated by electrochemical oxidation [19]

與此同時(shí)，本課題組還提出了一種鈉鹽輔助剝離調(diào)控石墨烯的結(jié)構(gòu)形貌和電化學(xué)傳感性能的策略[21]。如圖3所示，分別在純?nèi)軇?GS -1)和含有檸檬酸鈉(GS -2)、磷酸鈉(GS -3)和焦磷酸鈉(GS -4)的NMP中超聲剝離制備石墨烯，發(fā)現(xiàn)這些鈉鹽都能不同程度地提高石墨烯的產(chǎn)率，并降低其層數(shù)、提高缺陷含量。與檸檬酸鈉相比，焦磷酸鈉將產(chǎn)率提高了30%，幾乎是NMP的5倍。以生物小分子、殺菌劑、酚類污染物和偶氮色素為對象，研究發(fā)現(xiàn)鈉鹽的存在明顯提高了剝離石墨烯對這些物質(zhì)的檢測靈敏度，其中以焦磷酸鈉最為顯著。

圖3 不同鈉鹽輔助NMP超聲剝離所制備石墨烯的電化學(xué)傳感性能[21]Fig.3 Sensing performance of NMP-exfoliated graphene in the presence of different sodium salts[21]

2.2 其他溶劑超聲剝離石墨烯的電化學(xué)傳感

除NMP外，其它一些溶劑也被用于超聲剝離石墨烯，并進(jìn)一步應(yīng)用于電化學(xué)傳感領(lǐng)域。Keeley等人在DMF中超聲剝離制備出石墨烯納米片，然后分別用于抗壞血酸(AA)[22]和還原型輔酶Ⅱ(NADH)[23]的電化學(xué)測定。由于石墨烯納米片的優(yōu)異性能，二者的檢出限分別低至0.12 mmol/L和1.4 μmol/L。此外，在DMF中引入一些鈉鹽輔助剝離試劑，可明顯縮短超聲剝離時(shí)間，并提高剝離石墨烯的電化學(xué)性能。Li等人[24]在DMF中加入沒食子酸鈉，超聲剝離3 h可得到2.0 mg/mL的石墨烯分散液，進(jìn)一步用于愈創(chuàng)木酚和香草醛的電化學(xué)檢測，其檢出限分別為5 nmol/L和4.5 nmol/L。Song等人[25]在DMF中加入銅(Ⅱ)-四(4-羧基苯基)卟啉四鈉鹽(Na4(CuTCPP))，超聲2.5 h制備出Na4(CuTCPP)功能化的石墨烯納米片，該納米片對多巴胺和對乙酰氨基酚表現(xiàn)出顯著的信號放大效應(yīng)，可用于二者的同時(shí)電化學(xué)測定，檢出限低至0.8 nmol/L和0.7 nmol/L。

Qi等人[26]以DMSO為溶劑，檸檬酸鈉為輔助劑，在室溫水浴超聲3 h，經(jīng)過離心后得到石墨烯薄片(PG)。與rGO相比，PG的電導(dǎo)率高(13 760 S/m)、氧含量極低且結(jié)構(gòu)缺陷少，從而顯示出更為優(yōu)異的電化學(xué)傳感性能。將PG修飾玻碳電極用于抗壞血酸、多巴胺和尿酸的電化學(xué)檢測，他們的檢出限分別為6.45 μmol/L、2.00 μmol/L和4.82 μmol/L。

此外，一些低沸點(diǎn)的混合溶劑體系也被用來超聲剝離制備石墨烯片。通過選擇適當(dāng)?shù)娜軇┙M成，可以在一些低沸點(diǎn)混合溶劑中獲得高度穩(wěn)定的石墨烯懸浮液。例如，Zhan等人[27]在異丙醇(IPA)和水的混合體系中，于焦磷酸鈉的存在下，超聲剝離制備出石墨烯薄片，濃度可達(dá)到0.565 mg/mL，同時(shí)顯示出優(yōu)異的電導(dǎo)率(70 950 S/m)。將該石墨烯薄片用于多巴胺的電化學(xué)測定，檢出限為1.5 μmol/L。

3 液相球磨剝離石墨烯的制備及電化學(xué)傳感應(yīng)用

利用機(jī)械球磨過程中產(chǎn)生的剪切力可以將石墨橫向剝離成石墨烯。該方法首先將石墨粉分散在與石墨表面能匹配的溶液，如NMP[28]、DMF[29]等介質(zhì)中，然后利用機(jī)械球磨即可制備出石墨烯納米片。需要指出的是，磨球在滾動過程中產(chǎn)生的碰撞或垂直沖擊有可能破壞結(jié)構(gòu)的結(jié)晶性，形成非晶態(tài)或非平衡態(tài)。因此，為了獲得高質(zhì)量的石墨烯應(yīng)盡量減少此類效應(yīng)[30]。

對于液相球磨法(或稱濕式球磨法)，液體介質(zhì)和球磨速率對石墨烯的產(chǎn)率和品質(zhì)有顯著的影響。例如，Zhao等人[29]使用行星式研磨機(jī)，在DMF中球磨制備石墨烯，為避免強(qiáng)烈的沖擊應(yīng)力破壞石墨面內(nèi)晶體，球磨速率控制在300 r/min的低速下，這樣可以確保剪切應(yīng)力占主導(dǎo)地位。

目前液相球磨法使用的溶劑一般沸點(diǎn)高、腐蝕性強(qiáng)。本課題組[31]在含有表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的水/乙醇混合溶液中，通過濕式球磨法制備出石墨烯納米片，并探討了球磨時(shí)間對石墨烯結(jié)構(gòu)形貌、缺陷含量和電化學(xué)傳感性能的影響。如圖4所示，當(dāng)球磨時(shí)間從4 h增加到12 h時(shí)，石墨烯片的尺寸和厚度明顯減小，邊緣缺陷顯著增加，電化學(xué)活性面積和電催化活性也得到明顯地提升，其對三種酚類物質(zhì)(對苯二酚、對氯苯酚和對硝基苯酚)的信號增強(qiáng)能力也顯著提高。基于球磨時(shí)間調(diào)控的石墨烯信號放大策略，構(gòu)建了同時(shí)測定對苯二酚、對氯苯酚和對硝基苯酚的電化學(xué)傳感器，檢出限分別為0.017 mg/L、0.024 mg/L和0.42 mg/L。

圖4 液相球磨剝離石墨烯的電化學(xué)性能調(diào)控及酚類物質(zhì)傳感[31]Fig.4 Tunable electrochemistry and phenol sensing of ball-mill-exfoliated graphene[31]

4 電化學(xué)剝離石墨烯的制備及電化學(xué)傳感應(yīng)用

除了上述機(jī)械剝離方法外，還可以采用電化學(xué)方法剝離制備石墨烯。其工作原理是：在適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)溶液中，以石墨棒或石墨薄膜為工作電極、Pt片為對電極，通過工作電極的氧化或者還原引起石墨結(jié)構(gòu)的膨脹，從而剝離出石墨烯薄片，其制備過程的示意圖如圖5所示[32]。電化學(xué)剝離具有操作簡單、剝離速度快、工業(yè)應(yīng)用前景廣闊等特點(diǎn)。電化學(xué)剝離主要分為陽極剝離和陰極剝離兩種方式。

圖5 電化學(xué)剝離制備石墨烯的裝置及原理示意圖[32]Fig.5 Schematic diagram of the preparation of graphene by electrochemical exfoliation[32]

4.1 陽極剝離石墨烯的電化學(xué)傳感應(yīng)用

然而，過高濃度的自由基也會在石墨烯中引入較多的含氧官能團(tuán)，反而可能降低石墨烯的電化學(xué)性能。因此，控制陽極剝離電解質(zhì)的pH值是改善石墨烯電化學(xué)性能的一種有效方法。Pogacean等人[40]在不同pH值的溶液中，通過陽極剝離制備出兩種石墨烯材料，并比較了它們的電化學(xué)性能。其中，一種介質(zhì)為強(qiáng)酸性，由體積比為3∶1 的0.5 mol/L H2SO4和0.5 mol/L HNO3組成，陽極剝離得到的產(chǎn)物為石墨烯(40%少層；32%多層)和GO(28%)的混合物，標(biāo)記為EGr-1；另外一種介質(zhì)為0.05 mol/L H3PO4和0.01 mol/L NaCl，為弱酸性(pH約為5.1)，陽極剝離得到的材料標(biāo)記為EGr-2。研究表明，弱酸性介質(zhì)中剝離得到的EGr-2保存有更為完整的石墨烯結(jié)構(gòu)，電化學(xué)傳感活性也更高。這主要是因?yàn)樗岫鹊慕档蜏p弱了陽極剝離過程中的氧化副反應(yīng)，將EGr-2用于日落黃的電化學(xué)檢測，檢出限可達(dá)0.3 μmol/L。

Teng等人[41]以LiClO4作為插層試劑，在10 V的電位下進(jìn)行陽極剝離來制備石墨烯，石墨烯的平均尺寸為3～10 μm，平均厚度為2.8 nm，品質(zhì)較高，將其用于海水中2,4-二硝基甲苯(DNT)和2,4,6-三硝基甲苯(TNT)的電化學(xué)檢測，檢出限分別為19.2 μmol/L和11.2 μmol/L。

除了降低酸度外，還可以在剝離介質(zhì)中加入一些特點(diǎn)物質(zhì)，使其可吸附于石墨烯表面，從而達(dá)到包裹和保護(hù)的作用。例如，Coros等人[42]在KCl溶液中加入5,10,15,20-四(4-吡啶基)卟啉(TPyP)，TPyP由于共軛作用吸附在石墨烯的表面，從而保護(hù)石墨烯不受含氧自由基的攻擊。之后，利用石墨烯與TPyP之間的協(xié)同效應(yīng)，建立了一種鄰苯二酚的高靈敏電化學(xué)檢測方法，檢出限為0.303 μmol/L。

目前，陽極剝離制備的石墨烯片在電化學(xué)檢測方面也獲得了一定的應(yīng)用，如表1所示。

表1 基于電化學(xué)陽極剝離石墨烯的電化學(xué)傳感體系Table 1 Electrochemical sensing systems based on graphene that prepared by anodic exfoliation

4.2 陰極剝離石墨烯的電化學(xué)傳感應(yīng)用

陰極剝離是以石墨工作電極作為陰極，借助陽離子對石墨進(jìn)行插層來制備石墨烯的方法。與陽極剝離相反，石墨工作電極在陰極剝離過程中進(jìn)行的是還原反應(yīng)，能有效避免石墨烯被氧化，確保石墨烯結(jié)構(gòu)完整、質(zhì)量較高。陰極剝離一般在含有堿金屬鹽，如：鋰鹽[47]、鉀鹽[48]或烷基銨鹽(如四甲基銨鹽[49]、四丁基銨鹽[50])的NMP等有機(jī)溶劑中進(jìn)行。然而，堿金屬離子半徑較小，不足以使得石墨烯發(fā)生剝離，而烷基銨鹽陽離子體積較大，在電解質(zhì)溶液中移動緩慢。因此，陰極剝離的時(shí)間較長且產(chǎn)率較低，一般還需要在剝離完成后輔以數(shù)小時(shí)的超聲，才能獲得石墨烯片層。因此，目前陰極剝離制備石墨烯的研究雖然有報(bào)道，但是這種方法剝離的石墨烯在電化學(xué)檢測方面的研究還非常有限。

5 展望

未來，關(guān)于液相剝離石墨烯的電化學(xué)傳感研究可以從以下三個(gè)方面開展：(1) 深入研究各種剝離參數(shù)對石墨烯電化學(xué)傳感性能的調(diào)控機(jī)制，為構(gòu)建更靈敏的電化學(xué)檢測體系奠定基礎(chǔ)；(2) 對液相剝離石墨烯進(jìn)行復(fù)合(如與金屬有機(jī)框架(MOFs)材料、有機(jī)框架(COFs)材料、其它二維材料及適配體等)或者功能化，進(jìn)一步提高檢測靈敏度和選擇性等；(3) 發(fā)展其它類型的液相剝離體系(如微波輔助等)，并研究其電化學(xué)傳感方法和應(yīng)用體系。