文丨叹为观史
编辑丨叹为观史
前言
对在传感器组合物中引入纳米材料越来越感兴趣，因为它们凭借其迷人的特性在传感领域提供了令人兴奋的新机会。碳纳米管和碳纳米纤维形式的纳米结构碳代表了传感器获取中最常研究的纳米结构材料。
与碳纳米纤维相比，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管形式的碳纳米管由于其更灵敏的特性而在传感应用中得到了更广泛的研究。然而，两种形式的纳米结构碳都表现出作为检测应用的未修饰或修饰电极的巨大潜力。
由于碳材料的特性，电极广泛应用于电分析应用，IE，大电位窗口，低背景电流，低成本，多功能表面化学，适合各种传感应用。基于碳纳米管和碳纳米纤维的电极对于无机和有机化合物的检测非常有前景。对于与作为单独、选择性或同时检测的各种目标分析物的检测相关的某些电分析要求，纳米结构碳电极应当用合适的纳米颗粒进行修饰。
银和铜纳米颗粒等几乎所有改性纳米结构碳材料组成的电化学传感器都可用于检测从化学分子到生物分子的分析物。总结了使用碳纳米管和纳米纤维以及铜纳米颗粒改性的碳纳米管电极的几种检测应用。在碳纳米管和纳米纤维以及铜纳米粒子改性的碳纳米管电极材料中检测到各种无机和有机物质。
不同类型电化学技术
不同类型电化学技术相关的改性纳米结构碳复合电极，即循环伏安法、差分脉冲伏安法、方波伏安法、计时安培法和脉冲电流分析法，作为电流传感器应用于传感应用。电化学检测性能与电极表面的电化学性质以及具体的电化学技术直接相关。
循环伏安法技术应用于基于两辊研磨法合成的环氧基体中碳纳米管和纳米纤维的复合电极的电化学表征，以便将其用于检测应用。还对M-纳米结构碳复合材料电极进行了表征和比较测试，以提高检测应用中的电分析性能。
纳米结构碳基复合材料
考虑到复合电极由于微电极集阵列的特定行为而产生的主要优势，其特点是由于表面积大而具有显着更高的有用电流，纳米结构碳基复合材料电极代表具有增强特性的新一代。最具代表性和最常用的纳米结构碳复合材料是纳米纤维和纳米管。装饰在复合电极上的金属纳米粒子已被研究用于各种应用。
由于纳米结构碳复合材料电极有趣的机械、电气和电化学特性，其各种检测和传感应用已得到广泛研究。复合电极的获得非常重要，它决定了纳米结构碳复合材料电极特性和进一步的传感应用。由分散在聚合物基质中的导电纳米结构碳相组成的复合电极的开发导致了分析电化学和传感器设备的重要进步。
这些新型电极材料结合了碳的电性能和树脂的易加工性，并表现出有吸引力的电化学、物理、机械和经济特性。金属纳米粒子的应用在电化学领域，特别是在电分析领域，由于其增强的光学、电子、磁性和催化性能而引起了的兴趣。在电分析方面，金属纳米颗粒材料由于多种优点而适合修饰电极，高活性表面积、增强的选择性和改善的传质。
基于复合材料分类，复合材料电极属于随机系综，其中纳米结构碳分散在合适的溶剂中后与环氧树脂混合。四氢呋喃和二甲基甲酰胺是碳纳米纤维和碳纳米管良好分散以避免其团聚的有效溶剂。已经开发了各种获得方法来将金属纳米颗粒沉积在各种基底上，以获得所谓的化学修饰电极，其特征在于增强了传感应用的性能。
最常用的金属纳米颗粒是铜、银、金和铂，最常见的方法是关于金属纳米颗粒沉积的途径。化学合成是指用不同的试剂、紫外光或电子束照射进行还原。金属纳米粒子的沉积可以通过电化学技术进行。电化学沉积方法为在短时间内制备金属纳米粒子基电极提供了一种简单、快速的替代方法。技术比化学方法有一些进步，颗粒纯度高、对尺寸的控制更高、粒度分布更低、对密度的控制更多。
纳米结构碳复合材料
将纳米结构碳分布在环氧树脂基质内以到达复合电极。扫描电子显微镜技术对于评估碳填料在环氧树脂中的分散性非常有用，这与表面形态和结构以及纳米结构碳复合材料电极的电气和电化学性能有关。可以通过该技术观察和测量金属纳米粒子，使用两辊研磨程序获得纳米结构碳复合材料电极非常简单，并确保纳米结构碳填料在环氧树脂基体中良好分散和均匀分布。
用于电沉积的电化学技术也影响纳米颗粒的尺寸和在导电碳填料上的分布。通过将电极电势维持在一定值，这通过计时电流分析法技术来保证，银纳米颗粒在AgNO3上自发形成。表面出现纳米结构碳复合材料，并以聚集形式沉积。
颗粒随机分布在电极表面上，并具有不同的尺寸。如果通过在一定电位范围内连续运行应用循环伏安法，可以实现银纳米粒子更好的分布和均匀尺寸。电极表面形态、结构和纳米颗粒尺寸影响纳米结构碳复合材料电极在检测应用中的电学和电化学性能。
电化学性能
纳米结构碳复合材料复合材料的电学行为是电化学检测应用的重要特性。对于复合电极，电性能由绝缘基质内的导电填料负载给出，并且存在超出电导率的渗透阈值负载。在低填料负载下，电导率非常接近纯绝缘基体电导率，因为填料单独或作为小簇分散在基体中。在超过渗透阈值负载时，独立的导电填料倾向于连接在一起形成导电网络，这导致复合材料的电导率显着增加。
基于碳纳米管的复合材料的各种渗滤阈值，从0.0025%重量到对于碳纳米管-环氧树脂复合材料，含量最高可达5%重量。高于该负载量，电导率显着增加，直至碳纳米管达到20%重量。并且超过该负载，电导率没有发生显着增加。
一般来说，电导率是通过四点探针电阻测量来测量的，给出了各种纳米结构碳复合材料电极表面的一些值。金属纳米颗粒的存在略微增强了电极材料的电导率。所有电极材料均表现出适合电化学应用的导电性。通过循环伏安法循环伏安法研究与电活性表面积相关的电化学特性。循环伏安法是一种非常通用的电化学技术，可以识别氧化还原系统机制和溶液中电活性物质的传输特性等方面。
为了表征每种类型应用的电极材料而进行的第一个电化学实验。该技术提供了有关热力学氧化还原过程、异质电子转移反应动力学以及耦合化学反应或吸附过程的快速信息。这是通过三电极布置来实现的，其中相对于某个参比电极的电势在工作电极处扫描，同时在支持电解质中监测流过对电极的电流。
非常适合快速搜索系统中存在的氧化还原对，一旦找到氧化还原对，就可以通过更仔细地分析循环伏安图来表征氧化还原对。通常，使用三角电位波形在两个极值之间随时间线性地前后扫描电位。确定电活性表面积的最常用方法是铁氰化物氧化还原电偶法。
铁氰化物氧化还原系统产生每个分子一个电子的可逆氧化还原系统。考虑到氧化还原系统的单电子参与和化学可逆性，铁氰化物过程的循环伏安分析设想通过该氧化还原系统在这些电极上的表观扩散系数来确定纳米结构碳复合材料和M-纳米结构碳复合材料电极的电活性面积。
存在下以不同扫描速率记录的循环伏安法，在循环伏安法记录后研究亚铁氰化物体系的电化学行为，这提供了确定亚铁氰化物体系特性的机会。源自可逆过程的循环伏安响应。系统的可逆性通过阳极峰值电位和阴极峰值电位之间的分离，对于可逆电偶，并且与扫描速率无关。对于准和不可逆条件，取决于电压扫描速率。
电极反应的电化学可逆性
与电极反应的电化学可逆性相关的另一个重要参数是峰值电流，更具体地说，是阳极峰值电流与阴极峰值电流之间的比率，对于简单的计算，其值是统一的。可逆偶。通过基于记录的伏安图计算扩散系数并与理论扩散系数比较，可以确定电活性表面积的值。一般来说，所有纳米结构碳复合材料和纳米结构碳复合材料的电活性表面积均高于几何表面积。
根据可逆性参数值和脉冲电流分析法，可以阐明电极表面扩散和吸附过程的一些方面，这必须与形态、结构和电学性质相关。与电化学行为相关的对电分析非常重要的其他重要方面是电位窗口和背景电流。电化学检测应用需要大的电位窗口和低的背景电流。背景电流由双电层的电容分量给出，并且希望该分量最小化。
以电催化活性为特征的电极具有高背景电流和低析氧电位值的特点，这意味着电位窗口很窄。然而，以电催化活性为特征的电极对于检测应用非常有用，特别是对于硬可氧化或还原物质。碳纳米管-环氧树脂表现出较高的背景电流和较低的析氧电位值，这可归因于对该过程可能的电催化作用。金属改性碳复合电极对析氧过程表现出电催化活性，其特点是较高的背景电流和较低的电位窗口。
结论
电化学技术应被视为纳米结构碳复合材料和金属纳米粒子改性的纳米结构碳复合材料电极电化学表征和检测应用的合适工具。循环伏安法对于电化学表征非常有用，它提供了优化操作条件所依据的机械信息。一般来说，循环伏安法结果被认为是检测应用中应用的所有电化学技术的参考，特别是计时电流分析法、计时安培法和脉冲电流分析法。
参考文献
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