Graphene as a sensor material

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	3 June 2014
Referee:	Prof. Dr. Otto S. Wolfbeis
Date of exam:	8 May 2013
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Chemo- und Biosensorik (Prof. Antje J. Bäumner, formerly Prof. Wolfbeis)
Keywords:	graphene, nanomaterials, sensors, Graphen, Nanomaterialien, Sensoren
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	28283

Abstract (English)

This thesis is concerned with the synthesis, characterization and utilization of (reduced) graphene oxide (chemically derived graphene) for sensor applications. The first chapter describes the history of graphene, classifies all members of the graphene family by convenient definitions, and outlines the motivation and aim of this work. Chapter 2 discusses several proof of principle and ...

Abstract (English)

This thesis is concerned with the synthesis, characterization and utilization of (reduced) graphene oxide (chemically derived graphene) for sensor applications. The first chapter describes the history of graphene, classifies all members of the graphene family by convenient definitions, and outlines the motivation and aim of this work.

Chapter 2 discusses several proof of principle and analytical concepts based on different graphene materials. These concepts point out the chemically derived variants, i.e. (reduced) graphene oxide, as extremely valuable materials for sensor applications due to their excellent features. These include solution processing, higher sensitivies for particular analytes, and attraction and discrimination effects.

Since the materials themselves and their syntheses were only superficially examined, the following chapters (4-6) provide a detailed investigation of graphene oxide and reduced graphene oxide. In particular, fluorescence and Raman spectroscopy are discussed in Chapters 6 and 5, respectively. The results reveal that both materials are indeed very complex, heterogenous entities. Also, the potential for novel sensor concepts is exhibited. Synthesis mechanisms derived from these investigations are developed in Chapter 7, which expose the similarly complex chemistry behind the simple preparation presented in Chapter 3. The mechanisms consist of several convoluted pathways and reactions.

The last chapter lists and presents sensor concepts developed during this work. In particular, the basic principles behind a gas sensor for NO2, and an affinity sensor based on surface plasmon resonance for amines are described.

Translation of the abstract (German)

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung, Charakterisierung und Nutzung von (reduziertem) Graphenoxid (chemisch abgeleitetes Graphen) für Sensoranwendungen. Das erste Kapitel behandelt die Geschichte des Graphenes, klassifiziert und definiert die verschiedenen Graphenmaterialien und stellt die Motivation und das Ziel dieser Arbeit kurz da. Das zweite Kapitel diskutiert verschiedene ...

Translation of the abstract (German)

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung, Charakterisierung und Nutzung von (reduziertem) Graphenoxid (chemisch abgeleitetes Graphen) für Sensoranwendungen. Das erste Kapitel behandelt die Geschichte des Graphenes, klassifiziert und definiert die verschiedenen Graphenmaterialien und stellt die Motivation und das Ziel dieser Arbeit kurz da.

Das zweite Kapitel diskutiert verschiedene analytische und sensorische Machbarkeitsstudien auf Basis der verschiedenen Graphenmaterialien. Diese Studien machen klar, dass die chemisch abgeleiteten Varianten von Graphen, d.h. (red.) Graphenoxid, aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften besonders nützlich für Sensoranwendungen sind. Zu den herausragenden Eigenschaften zählen u.a. die Möglichkeit der Verarbeitung in Lösungen, hohe Sensitivitäten für bestimmte Analyten und verschiedene Attraktions- und Diskriminierungseffekte.

Da diese Materialien bisher nur sehr oberflächlich untersucht wurden, behandeln die folgenden drei Kapitel (4-6) die detailierte Charakterisierung von reduziertem und nicht-reduziertem Graphenoxid. Speziell werden dabei die Fluoreszenz- und Ramanspektroskopie in den Kapiteln 6 bzw. 5 diskutiert. Die Ergebnisse bestätigen die komplexe und heterogene Natur beider Materialien. Darüberhinaus wird die Möglichkeit für neue Sensorkonzepte beleuchtet. Ausgehend von der umfangreichen Charakterisierung werden Synthesemechanismen für die in Kapitel 3 aufgeführten Herstellungsprotokolle vorgeschlagen und entwickelt. Diese Mechanismen sind im Gegensatz zu den einfachen Herstellungsvorschriften ebenfalls sehr komplex und umfangreich.

Das letzte Kapitel listet und beschreibt Ansätze für Sensoren, die während dieser Arbeit entstanden sind. Dabei werden besonders die Grundprinzipien für einen Gassensor für NO2 und einen Oberflächenplasmonenresonanz-basierenden Affinitätssensor für Amine beschrieben.

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