氧化还原石墨烯基微流体发电机感应电势影响因素的研究

doi:10.7503/cjcu20230033

摘要/Abstract

摘要：

采用不同浓度的分散液制备了氧化还原石墨烯基微流体发电机, 测得了不同NaCl溶液流体流速时的感应电势. 根据Nernst-Planck方程建立了工作电极表面扩散层内Na⁺离子浓度与感应电势之间的量化关系. 基于不同流体流速时所测得的感应电势值, 分析了流体流速-Na⁺离子物质输运及其吸附浓度-微流体发电机感应电势之间的影响关系. 引入表面纹理纵横比(Str)和最大高度(Sz)等特征参数量化表征了氧化还原石墨烯薄膜的表面形貌, 研究了分散液浓度-氧化还原石墨烯表面形貌-工作电极表面Na⁺离子吸附量-微流体发电机感应电势之间的内在规律. 当NaCl溶液流体流速为50 μL/min、氧化还原石墨烯浓度为1 mg/mL时, 微流体发电机感应电势可达-343 mV. 研究结果不但有助于碳基微流体能量收集器工艺参数的优化及性能改进, 还有利于与微流道相关的光降解器、离子敏传感器和电化学葡萄糖传感器等器件性能的提升.

关键词: 微流体发电机, 流体流速, 表面形貌, 离子浓度, 感应电势

Abstract:

In this paper， reduced graphene oxide（rGO）-based microfluidic voltage generations were fabricated with the suspensions at different rGO concentration. Different values of the induced potential of these rGO-based micro- fluidic voltage generations were generated at various volume flow rate of NaCl solution. Based on Nernst-Planck equation the quantitative relationship between the Na⁺ ion concentration in the diffusion layer upon the surface of the working electrode and induced potential of the microfluidic voltage generation was established. With the values of induced potential corresponding to different volume flow rates of the NaCl solution， the effect of the volume flow rate on both mass transporting of Na⁺ ions from the solution upon the rGO membranes and the concentration of the Na⁺ ion adsorbed on the surface of working electrode， and further the induced potential of the rGO-based microfluidic voltage generation had been researched. Besides， by quantitatively characterizing the surface morphology of the rGO membrane with the surface texture aspect ratio（Str） and maxium height（Sz）， the relationship among the rGO concentration of the suspension， the surface morphology of the rGO membrane， the concentration of the Na⁺ ion adsorbed on the surface of the working electrode and the induced potential of the microfluidic voltage generation had been established. At volume flow rate 50 μL/min of the NaCl solution and rGO concentration 1.0 mg/mL of the suspension the rGO-based microfluidic voltage generation can generate an optimal induced potential -343 mV. These results benefit not only the fabrication and performance optimizations of other carbon-based microfluidic voltage generations， but also the behavior improvements of the microfluidic channel based photo-degradation reactors， ion sensing devices and electrochemical glucose sensors.

Key words: Microfluidic voltage generator, Volume flow rate, Surface morphology, Ion concentration, Induced potential

中图分类号:

O646.2

TrendMD:

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图/表 11

Fig.1 Brief process to clarify the effects of the volume flow rate of NaCl solution and the rGO concentration of the suspension on the induced potential of the rGO⁃based microfluidic voltage generators

Fig.2 Au reference electrode(A), Au working electrode(B), rGO membrane⁃coated Au working electrode(C), prototype(D) of the rGO⁃based micro⁃fluidic voltage generation, and SEM micrograph of the rGO membrane drop⁃casted at 1.0 mg/mL rGO of the suspension on the working electrode at different magnifications(E, F)

Fig.3 SEM images of the rGO membrane on the working electrodes at 0.10(A1, A2), 0.25(B1, B2), 0.50(C1, C2), 0.75(D1, D2) and 1.00 mg/mL rGO(E1, E2) of the suspension corresponding to different positions and at different magnifications(A3—E3), respectively

Fig.4 Surface height distribution of the rGO membrane at 0.10(A), 0.25(B), 0.50(C), 0.75(D) and 1.00 mg/mL rGO(E) of the suspension, respectively, and the effects of the rGO concentration of the suspension on Sz and Str of the rGO membrane(F)

Fig.5 Effect of the rGO concentration of the suspension on the CAs of rGO membrane

Fig.6 Diagrams of the mass transporting, diffusion, adsorption of Na+ ions on the rGO membrane(A) and the induced potential generation within the diffusion layer upon the working electrode(B)

Fig.7 Effect of the volume flow rate of NaCl solution on the induced potential(A) as well as current and power(B) generated by the rGO⁃based microfluidic voltage generator at 1.00 mg/mL rGO of the suspension

Fig.8 Effect of the volume flow rate of NaCl solution on ΔΦm and c*m /cm (A), adsorption of Na+ ions upon the rGO membrane at different volume flow rate[static(B), slow(C) and rapid(D)] of NaCl solution, respectively

Fig.9 Effect of the volume flow rate of NaCl solution and the rGO concentration of the suspension on the induced potential of the rGO⁃based microfluidic voltage generator(A), different power generated by the rGO⁃based microfluidic voltage generator at 0.75, 1.00 mg/mL rGO of the suspension(B)

Fig.10 Different potential responses of the rGO⁃based microfluidic voltage generator at 1.00, 1.25 mg/mL rGO of the suspension

Fig.11 Effect of the volume flow rate of NaCl solution and the rGO concentration of the suspension on ΔΦm (A) and c*m /cm (B)

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