基于石墨烯的 pH 传感器是一种稳健、耐用、灵敏且可扩展的方法，用于在各种环境中灵敏检测 pH。 然而，石墨烯响应 pH 变化的机制尚不清楚。这项研究为基于石墨烯的 pH 传感器的表面科学提供了新的视角，以解决有关传感响应、缺陷的作用和表面/溶液相互作用的文献之间存在的差距和不一致。 在这里，我们证明了传感响应对石墨烯缺陷密度水平的依赖性，通过拉曼光谱测量。 在交叉点 (ID/IG=0.35)，两个抵消机制相互平衡，将两个区域分开，其中表面缺陷诱导（负斜率）或双层诱导（正斜率）响应占主导地位。对于高于 0.35 的比率，表面官能团（pH 敏感基团和非敏感基团）处的pH依赖性电荷感应主导了器件响应。低于0.35的比率，由于石墨烯表面和电解质溶液之间的相互作用形成双电层，响应由石墨烯中电荷载流子的调制主导。表面的选择性功能化被用来揭示羧基和胺基在低 pH 值下的主要酸碱相互作用，而羟基控制高pH值范围敏感性。石墨烯的整体pH传感特性将由这两种机制的平衡决定。
 
 
图1。(a)化学电阻传感器的示意图和实像，该传感器由玻璃基板、作为触点的铅笔画矩形、作为有源层的FLG、用于触点的铜带和作为电介质的石蜡膜组成。 (b)  1微米和 (c) 100纳米的不同放大率下，在玻璃基板上滴铸FLG的SEM图像。
 

图2。(a)超声处理 6小时、12小时和18小时的拉曼光谱揭示了缺陷密度水平的变化。超声处理样品的化学电阻传感性能: (b) 6小时，(c) 12小时，和(d) 18小时的超声处理。(e)相应传感器的校准曲线。(f)通过内径/内径变化绘制的灵敏度变化图。
 
 
图 3. N₂ 退火传感器 (a,b) 1小时、(c,d) 4 小时和 (e,f) 8 小时的传感校准曲线和示意图。
 
  
图 4. (a) N₂/H₂ 退火样品的拉曼光谱，(b) I_2D/I_G 随退火持续时间的变化，(c) I_D/I_G 与退火持续时间的图，(d) I_D/I_G 与 I_D' 的图 /I_G 代表缺陷密度阶段。
 
 
图 5. (a-c) 1 h、(d-f) 4 h、(g-i) 6 h 和 (j-l) 8 h N2/H2 退火传感器的传感器性能、校准曲线和示意图，分别。由于（m）酸性溶液和（n）碱性溶液在石墨烯/溶液界面处存在双层，表面电荷调制的示意图模型。
 
  
图 6. 芘衍生物功能化 FLG 在不同 pH 值下的紫外-可见光谱  (a) Py-NH2/FLG,  (b) Py-OH/FLG,  (c) PyCHO/FLG,  (d) Py-COOH/ FLG。
 
 
图 7. PD功能化传感器的传感性能。  （a） Py-NH2/FLG  (b)  Py-CHO/FLG  (c) Py-COOH/FLG  (d) Py-OH/FLG  (e) 不同pH 值下官能团的缺陷诱导机制示意图。 红点代表双层。
 
 
图 8. 石墨烯的 pH 敏感性与表面缺陷密度的关系。插图显示了空白、退火和超声处理样品的实验数据。
  
       相关科研成果由麦克马斯特大学Peter Kruse等人于2021年发表在ACS Langmuir（https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c02088）上。原文：石墨烯缺陷工程调节石墨烯器件的 pH 响应。

转自《石墨烯研究》公众号