基于石墨烯的 pH 傳感器是一種穩健、耐用、靈敏且可擴展的方法，用于在各種環境中靈敏檢測 pH。 然而，石墨烯響應 pH 變化的機制尚不清楚。這項研究為基于石墨烯的 pH 傳感器的表面科學提供了新的視角，以解決有關傳感響應、缺陷的作用和表面/溶液相互作用的文獻之間存在的差距和不一致。 在這里，我們證明了傳感響應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 (ID/IG=0.35)，兩個抵消機制相互平衡，將兩個區域分開，其中表面缺陷誘導（負斜率）或雙層誘導（正斜率）響應占主導地位。對于高于 0.35 的比率，表面官能團（pH 敏感基團和非敏感基團）處的pH依賴性電荷感應主導了器件響應。低于0.35的比率，由于石墨烯表面和電解質溶液之間的相互作用形成雙電層，響應由石墨烯中電荷載流子的調制主導。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制的平衡決定。
圖1。(a)化學電阻傳感器的示意圖和實像，該傳感器由玻璃基板、作為觸點的鉛筆畫矩形、作為有源層的FLG、用于觸點的銅帶和作為電介質的石蠟膜組成。 (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、12小時和18小時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電阻傳感性能: (b) 6小時，(c) 12小時，和(d) 18小時的超聲處理。(e)相應傳感器的校準曲線。(f)通過內徑/內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、(c,d) 4 小時和 (e,f) 8 小時的傳感校準曲線和示意圖。
圖 4. (a) N
2/H
2 退火樣品的拉曼光譜，(b) I
2D/I
G 隨退火持續時間的變化，(c) I
D/I
G 與退火持續時間的圖，(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 值下官能團的缺陷誘導機制示意圖。 紅點代表雙層。
圖 8. 石墨烯的 pH 敏感性與表面缺陷密度的關系。插圖顯示了空白、退火和超聲處理樣品的實驗數據。
相關科研成果由麥克馬斯特大學Peter Kruse等人于2021年發表在ACS Langmuir（https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c02088）上。原文：石墨烯缺陷工程調節石墨烯器件的 pH 響應。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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