| License: Publishing license for publications excluding print on demand (7MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-434938
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.43493
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 26 July 2021 |
| Referee: | Prof. Dr. Antje J. Bäumner |
| Date of exam: | 17 July 2020 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Chemo- und Biosensorik (Prof. Antje J. Bäumner, formerly Prof. Wolfbeis) |
| Keywords: | Graphene, Electrochemistry, Raman, Sensor, Transfer, Synthesis |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 43493 |
Abstract (English)
This thesis addresses the potential of various graphene materials to be implemented as an electrochemical sensor depending on its surface characteristics. Chapter 1 reviews the most common synthesis protocols to derive graphene materials, either by growth or delamination of graphite. The following section describes state-of-the-art functionalization routines to modify the surface either ...
Abstract (English)
This thesis addresses the potential of various graphene materials to be implemented as an electrochemical sensor depending on its surface characteristics.
Chapter 1 reviews the most common synthesis protocols to derive graphene materials, either by growth or delamination of graphite. The following section describes state-of-the-art functionalization routines to modify the surface either non-covalently by physical adsorption or π-stacking or by the covalent introduction of functional groups. The variety of graphene allotropes is evaluated upon its applicability as recognition layer in electrochemical sensors. It is observed, that the structure of graphene highly influences the sensor’s performance. Interestingly, among the pool of graphene materials, solely two representatives are frequently used as recognition layer. These are, low-defective cvdG and defective rGO. Little is reported on the exact contribution of the structural features and the layer morphology of the applied materials with regard to its sensing behavior.
Chapter 3 describes the impact of the chemical structure and surface morphology of processed graphene layers on their electrochemical performance. Various graphene allotropes derived either chemically, electrochemically or mechanically are exfoliated in liquid. The dispersed graphene flakes were examined beforehand by dynamic light scattering and Zeta potential, revealing a diversity in flake size and surface charge. Layer processing is complex as each graphene allotrope required an alternative transfer procedure to establish coherent graphene films. The surface morphology was investigated by SEM and AFM revealing rough layers for small flake compounds as reduced graphene oxide and mechanically exfoliated graphene, whereas the electrochemically exfoliated and vapor grown graphene distributed smooth surfaces. The defect distribution of each graphene compound was examined by Raman spectroscopy observing an increase in the material quality in the order rGO < ecG < meG < cvdG. Electrochemical investigations conducted by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy revealed defective, rough graphene compounds to exhibit a high electron transfer rate and a low charge transfer resistance in presence of a redox marker. The charge transfer resistance of rGO is 20 times decreased compared to low-defective cvdG. Reduced graphene outperformed the other materials in terms of electrocatalytic reduction of hydrogen peroxide. It is shown that the interplay of structural characteristics and surface morphology of the processed recognition layers highly affects the electrochemical performance in aqueous medium. Still, a full characterization of the processed material is challenging, due to the small dimensions.
Chapter 4 describes the challenges on graphene synthesis, processing and the lack of characterization. The main results of the synthesis, transfer techniques, optical and electrochemical investigations are summarized. The synthesis of graphene, its processing and the analysis need to be further investigated. An improvement of standardized characterization techniques might potentially enable a correlation between the structural features and the physical properties, which results in tailoring of the material towards the required needs. Future perspectives are envisioned integrating graphene in optical and electrochemical sensor systems.
Translation of the abstract (German)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss verschiedener Graphenmaterialien hinsichtlich deren Grenzflächeneigenschaften zur Verwendung in elektrochemischen Sensoren. Kapitel 1 stellt einen Übersichtsartikel dar, der die gängigsten Synthesemethoden von Graphen zusammenfasst. Diese basieren entweder auf einem Bottom-up- oder Top-down-Ansatz. Anschließend werden ...
Translation of the abstract (German)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss verschiedener Graphenmaterialien hinsichtlich deren Grenzflächeneigenschaften zur Verwendung in elektrochemischen Sensoren.
Kapitel 1 stellt einen Übersichtsartikel dar, der die gängigsten Synthesemethoden von Graphen zusammenfasst. Diese basieren entweder auf einem Bottom-up- oder Top-down-Ansatz. Anschließend werden Funktionalisierungsmethoden vorgestellt, welche das Graphen entweder nicht-kovalent, über Physisorption, sowie π-Wechselwirkung, oder kovalent durch Bindung funktioneller Gruppen modifizieren. Die unterschiedlich hergestellten Graphenmaterialien und deren Anwendbarkeit als elektrochemisches Sensormaterial wird kritisch zusammengefasst. Diese Literaturstudie legt nahe, dass die Art des verwendeten Graphens einen großen Einfluss auf das Sensorverhalten hat. Es überrascht, dass trotz der vielen unterschiedlichen Graphenmaterialien im Wesentlichen nur zwei Vertreter als Sensormaterial benutzt wurden: Diese sind entweder das defektarme cvdG oder das defektreiche rGO. Jedoch bleibt unklar, wie genau sich die strukturellen Eigenschaften und Beschaffenheit der Elektrodengrenzfläche auf das Sensorverhalten auswirken.
Kapitel 3 beschreibt die Ergebnisse einer Studie, die den Einfluss der chemischen Struktur und Oberflächenmorphologie prozessierter Graphenfilme auf ihre elektrochemischen Eigenschaften untersucht. Unterschiedliche Graphenmaterialien wurden hierzu chemisch, elektrochemisch oder mechanisch hergestellt und in flüssigem Medium dispergiert. Dynamische Lichtstreuung und elektrophoretische Mobilitätsstudien der Graphendispersionen ergaben, dass sich die Materialien hinsichtlich Flockengröße sowie Oberflächenladungen unterscheiden. Die Prozessierbarkeit eines einheitlichen Graphenfilms erwies sich als schwierig und erforderte die Entwicklung individueller Transfermethoden. Für Materialien mit kleiner Flockengröße, wie rGO und meG erhält man relativ raue Oberflächen. Auf der anderen Seite war es möglich, für cvdG und ecG glatte Graphenoberflächen abzuscheiden. Untersuchungen der Filme durch Ramanspektroskopie zeigt eine steigende Defektverteilung für rGO<ecG<meG<cvdG. Cyclovoltammetrie und elektrochemische Impedanzspektroskopie in Gegenwart eines Redoxmarkers bestätigte, dass raue, defektreiche Graphenoberflächen eine erhöhte Elektronentransferrate sowie einen verminderten Ladungstransferwiderstand aufweisen. Der Ladungswiderstand von rGO ist um den Faktor 20 geringer als von defektreichem cvdG. Desweiteren übertraf rGO die übrigen Materialien hinsichtlich der elektrokatalytischen Reduktion von Wasserstoffperoxid. Das Zusammenspiel von strukturellen Eigenschaften und der Oberflächenbeschaffenheit der Graphenfilme hat einen großen Einfluss auf die Elektrochemie in wässrigem Medium. Zur vollständigen Charakterisierung, insbesondere der exakten lokalen chemischen Zusammensetzung des Materials, fehlt aktuell eine geeignete Methode, die die entsprechende Auflösung erreicht.
Kapitel 4 beschreibt die Schwierigkeiten der Graphenherstellung und Prozessierbarkeit sowie fehlende Standardcharakterisierungmethoden. Es werden die Resultate der Graphensynthese, Transfertechniken sowie optischen und elektrochemischen Untersuchungen zusammengefasst. Die Synthese von Graphen, die Prozessierbarkeit und vollständige Analyse gilt es weiter voranzutreiben. Entsprechende Vorschläge wurden aufgezeigt. Das Erstellen einer Standardcharakterisierungsmethode oder –abfolge könnte das Bindeglied zwischen den Erkenntnissen struktureller Beschaffenheit und daraus resultierender physikalischer Eigenschaften sein. Dies würde es erlauben, Graphenmaterialien maßgeschneidert hinsichtlich einer potentiellen Anwendung herzustellen. Weitere Konzepte werden in Aussicht gestellt, in welchen Graphen seinen Beitrag in optischen sowie elektrochemischen Sensoren zu leisten vermag.
Metadata last modified: 26 Jul 2021 08:09
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