Per citar aquest document: http://ddd.uab.cat/record/141274
Advanced amperometric nanocomposite sensors based on carbon nanotubes and graphene: characterization, optimization, functionalization and applications
Muñoz Martín, Jose María
Céspedes Mulero, Francisco, dir. (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química)
Baeza i Labat, María del Mar, dir. (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química)
Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química

Publicació: [Barcelona] : Universitat Autònoma de Barcelona, 2015
Descripció: 1 recurs electrònic (289 p.)
Resum: Dins de l'amplia gama de nanocompòsits, la incorporació de materials conductors de carboni nanoestructurats, entre els quals s'hi troben els nanotubs de carboni (NTCs) i el grafè, a dins d'una matriu polimèrica aïllant, és una forma molt atractiva de combinar les propietats mecàniques i elèctriques úniques del material de farciment amb els atributs dels plàstics. Concretament, els materials nanocompòsits basats en carboni han jugat un gran lideratge en el camp de l'electroquímica analítica, sobre tot en el desenvolupament de dispositius (bio)sensors, degut a les seves interessants avantatges respecte a un material conductor pur. Aquestes avantatges els hi proporcionen un alt valor afegit, com versatilitat, durabilitat, una fàcil regeneració de la superfície i integració, simplicitat a l'hora d'incorporar diferents (bio)modificadors o una baixa corrent de fons, entre d'altres. En aquest sentit, aquesta tesi aborda el desenvolupament de sensors nanocompòsits avançats de tipus amperomètrics que, havent sigut optimitzada la seva relació carboni/polímer, poden ser modificats amb un ampli ventall de nanopartícules (NPs) per millorar-ne la seva eficiència electroanalítica. Les propietats elèctriques d'aquests nanocompòsits i, per tant, la seva aplicabilitat analítica, es troben directament influenciades tant per la naturalesa de les partícules conductores com per la quantitat i distribució espacial de les mateixes a través de la matriu polimèrica aïllant. Una de les propietats electroquímiques més importants que envolten a aquests materials, és la similitud del seu comportament electroquímic amb el d'un array de microelèctrodes. Per tant, una optimització de la seva relació carboni/polímer respecte a la naturalesa del material conductor de partida, permetrà assolir una major dispersió de les àrees conductores a través de les zones no conductores, presentant així beneficis similars als d'un array de microelèctrodes. A més, és conegut que alguns paràmetres, tals com la resistivitat del material compost, la transferència electrònica, la robustesa del material i la corrent capacitiva es troben fortament influenciades per la naturalesa física de la mostra de nanotubs de partida, com és la seva relació longitud/diàmetre i la seva puresa, fet que poden influir fortament la resposta electroanalítica final del material transductor. Sota aquest context, la primera etapa de la Tesi va consistir en la implementació d'un conjunt de tècniques instrumentals que, aplicades de manera sistemàtica, han permès la caracterització i la optimització de la composició dels materials nanocompòsits basats en nanotubs de carboni i resina epoxi (Epotek H77) en relació a la naturalesa dels NTCs de partida per a la fabricació de sensors electroquímics més eficients. El protocol de caracterització dut a terme inclou eines elèctriques, electroquímiques, morfològiques, microscòpiques, espectroscòpiques i electro-analítiques. Un cop optimitzada les proporcions de CNT/epoxi, el següent pas va consistir en millorar el rendiment analític d'aquests sensors electroquímics nanocompòsits incorporant-ne diferents NPs per a la introducció d'algun tipus d'efecte electrocatalític. Per arribar a aquesta fita, es va desenvolupar una metodologia simple per a la síntesi d'una amplia gama de NPs. La Síntesi Intermatricial (IMS) va ser utilitzada com a tècnica verda per al disseny de tres rutes diferents que permetin una incorporació personalitzada d'aquestes NPs dintre del material transductor, obtenint així sensors amperomètrics més sensibles a diferents analits. Finalment, els estudis de caracterització i funcionalització implementats en els sensors nanocompòsits basats en NTCs han estat estesos a materials nanocompòsits basats en una altra forma al·lotròpica del carboni: el grafè, el qual és l'últim descobriment en termes de material de carboni nanoestructurat.
Resum: Entre la amplia gama de nanocompósitos, la incorporación de materiales conductores nanoestructurados de carbono, entre los que se encuentran los nanotubos de carbono (NTCs) y el grafeno, dentro de una matriz polimérica aislante, es una forma muy atractiva de combinar las propiedades mecánicas y eléctricas únicas del material de relleno con los atributos de los plásticos. Concretamente, los materiales nanocompósitos basados en carbono han jugado un gran liderazgo en el campo de la electroquímica analítica, sobre todo en el desarrollo de dispositivos (bio)sensores, debido a sus interesantes ventajas con respecto a un material conductor puro. Dichas ventajas les proporcionan un alto valor añadido, como versatilidad, durabilidad, fácil regeneración de la superficie e integración, simple incorporación de (bio)modificadores o baja corriente de fondo, entre otras. En este sentido, esta tesis aborda el desarrollo de sensores nanocompósitos avanzados de tipo amperométrico que, habiendo sido optimizada su relación carbono/polímero, pueden ser modificados con un amplio abanico de nanopartículas (NPs) para mejorar su eficiencia electroanalítica. Las propiedades eléctricas de estos nanocompósitos y, por lo tanto, su aplicabilidad analítica, están directamente influenciadas tanto por la naturaleza de las partículas conductoras como por la cantidad y distribución espacial de éstas a través de la matriz polimérica aislante. Una de las propiedades electroquímicas más importantes que envuelven a estos materiales es la similitud de su comportamiento electroquímico con respecto a un array de microelectrodos. Por lo tanto, una optimización de la relación carbono/polímero con respecto a la naturaleza del material conductor de partida permitirá lograr una mayor dispersión de las áreas conductoras a través de las zonas no conductoras, presentando beneficios similares a los de un array de microelectrodos. Además, es conocido que algunos parámetros, tales como la resistividad del material compuesto, la transferencia electrónica, la robustez del material y la corriente capacitiva están fuertemente influenciadas por la naturaleza física de la muestra de nanotubos de partida, como son su relación longitud/diámetro o su pureza, hecho que pueden influir fuertemente en la respuesta electroanalítica final del material transductor. Bajo este contexto, la primera etapa de esta tesis consistió en la implementación de un conjunto de técnicas instrumentales que, aplicadas de manera sistemática, han perimitido, la caracterización y optimización de la composición de materiales nanocompósitos basados en nanotubos de carbono y resina epoxi (Epotek H77) con respecto a la naturaleza de los NTCs de partida para la fabricación de sensores electroquímicos más eficientes. El protocolo de caracterización llevado a cabo incluye herramientas eléctricas, electroquímicas, morfológicas, microscópicas, espectroscópicas y electroanalíticas. Una vez optimizada las proporciones de NTC/epoxi, el siguiente paso consistió en mejorar el rendimiento analítico de estos sensores electroquímicos nanocompósitos incorporándoles diferentes NPs con la finalidad de introducir algún tipo de efecto electrocatalítico. Para alcanzar este objetivo, se desarrolló una metodología simple para la síntesis de una amplia gama de NPs. La Síntesis Intermatricial (IMS) fue utilizada como técnica verde para el diseño de tres rutas diferentes que permitan una incorporación personalizada de estas NPs en el material transductor, obteniendo así sensores amperométricos más sensibles a diferentes analitos. Finalmente, los estudios de caracterización y funcionalización implementados en los sensores nanocompósitos basados en NTCs han sido extendidos para materiales nanocompósitos basados en otra forma alotrópica del carbono: el grafeno, el cual es el último descubrimiento en términos de material de carbono nanoestructurado.
Resum: Among the wide range of nanocomposites, the incorporation of conducting nanostructured carbon materials, such as carbon nanotubes (CNTs) and graphene, into an insulating polymeric matrix is a very attractive way to combine the unique mechanical and electrical properties of individual filler with the advantages of plastics. Concretely, carbon–based nanocomposite materials have played a leading role in the analytical electrochemistry field, particularly in (bio)sensor devices, due to their interesting advantages regarding to a pure conductive material, such as versatility, durability, easy surface regeneration and integration, facile incorporation of a variety of (bio)modifiers or low background current, among others. Accordingly, this thesis tackles the development of advanced amperometric nanocomposite sensors that having been optimized regarding to carbon/polymer composition ratios, can be tunable with different types of nanoparticles (NPs) for improving their electroanalytical efficiency. The electrical properties of these nanocomposites and, therefore, their analytical applicability, are directly influenced by the conducting particles nature and the amount and spatial distribution of them through the insulating polymeric matrix. One of the most important electrochemical properties of these materials is the similarity of their electrochemical behavior with a microelectrode array. Thus, an optimization of the carbon/polymer ratio with respect to the nature of the conducting material will allow to achieve a greater dispersion of the conducting areas through the non-conducting areas, presenting similar benefits to the microelectrode array. In addition, it is known that some parameters, such as composite resistivity, heterogeneous electron transfer rate, material robustness and background capacitance current are strongly influenced by the physical nature of the raw CNT sample, such as their diameter/length ratio and purity, fact that may strongly influences the final electroanalytical response of the transducer material. Under this context, the first step of this thesis consisted of implementing a group of instrumental techniques that, systematically applied, have allowed the characterization and optimization of nanocomposite materials composition based on CNTs and epoxy resin (Epotek H77) in relation to the nature of the raw CNT sample for the fabrication of more efficient electrochemical sensors. The developed characterization protocol includes electrical, electrochemical, morphological, microscopic, spectroscopic and electroanalytical tools. Having been optimized the MWCNT/epoxy composition ratios, the next step consisted of enhancing the analytical performance of these electrochemical nanocomposite sensors introducing some electrocatalytical effect by the incorporation of different NPs. For this goal, a simple methodology for synthesizing a wide range of different NPs has been developed. Intermatrix Synthesis (IMS) has been used as a green technique to design three different routes for CNT/epoxy nanocomposite electrodes modification, which offer a customized way for the preparation of sensitive amperometric sensors. Finally, the characterization and functionalization studies applied for CNT–based electrochemical nanocomposite sensors have been extended for nanocomposite materials based on another allotropic form of carbon: the graphene, which is the last discovery in terms of nanostructured carbon material.
Nota: Tesi doctoral - Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química, 2015
Drets: Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial i la comunicació pública de l'obra, sempre que no sigui amb finalitats comercials, i sempre que es reconegui l'autoria de l'obra original. No es permet la creació d'obres derivades. Creative Commons
Llengua: Anglès.
Document: Tesis i dissertacions electròniques ; doctoralThesis ; publishedVersion
Matèria: Sensors electroquímics ; Sensores electroquímicos ; Electrochemical sensors ; Nanotubs de carboni ; Nanotubos de carbono ; Carbon nanotubes ; Grafè ; Grafeno ; Graphene
ISBN: 9788449055607

Adreça alternativa: http://hdl.handle.net/10803/311424


289 p, 7.5 MB

El registre apareix a les col·leccions:
Documents de recerca > Tesis doctorals

 Registre creat el 2015-10-12, darrera modificació el 2016-10-04



   Favorit i Compartir