通过氧化铝抛光、电化学活化以及金纳米粒子电沉积预处理的导电3D打印丝材在电化学传感应用中的比较研究

《ACS Electrochemistry》：A Comparative Study of Conductive 3D Printing Filaments for Electrochemical Sensing Applications Pretreated by Alumina Polishing, Electrochemical Activation, and Electrodeposition of Au Nanoparticles

本研究系统比较了三种商用3D打印导电材料（Amolen、BlackMagic 3D、ProtoPasta）经氧化铝抛光、NaOH电解活化及金纳米粒子沉积预处理后的电化学性能，揭示了材料特性与预处理方法的协同效应，指出金纳米沉积能有效改善电极表面活性，而溶剂窗口和电容主要由材料电阻决定，需通过多因素实验验证预处理效果。

　　3D打印电化学设备近年来受到广泛关注，因为它们是一种高度可定制的平台，能够用于分析和能量存储，同时可以通过简单且成本较低的组件在多种环境中生产。这些设备的制造通常采用碳负载的导电热塑性材料，使电化学设备的生产能够实现去中心化，如果经过优化，这些设备有望被广泛分布。要实现这一目标，需要对这些丝材的电化学行为有全面的理解。本研究探讨了三种商用丝材在氧化铝抛光、0.5 M NaOH中的电化学活化以及Au纳米颗粒（NPs）电沉积后的电化学行为变化。本研究的目标是表征这些常用预处理方法对不同丝材的影响。需要注意的是，本研究并不是对所有丝材和预处理选项的全面组合，而是通过热重分析、扫描电子显微镜和拉曼显微镜测量，对每种丝材/预处理组合进行了表征。随后，我们对每个丝材在每种预处理条件下的背景电化学过程（电容和溶剂窗口）、峰电流响应与扫描速率的关系，以及两种常见的外球红ox物种（六氨合钌(III)和ferrocene甲醇）的峰电位分离进行了评估（总共九种条件）。我们随后研究了这些丝材在针对内球红ox偶合的响应情况，包括表面敏感（高铁酸盐的氧化）、依赖于表面吸附（多巴胺的氧化）以及对表面氧化物敏感（Fe2+的氧化）。这些数据突显了由导电3D打印丝材制成的电极的复杂性，并强调了在解释此类材料的电化学行为时需要考虑的几个重要方面。

首先，我们提供了证据表明这些材料表现出部分被阻的电极特性，这使得对电化学数据的解释变得复杂。其次，我们发现特定丝材的外球电化学反应性在很大程度上与预处理无关。对于评估外球电子转移的重要变量是未补偿电阻（R_u），它取决于丝材材料、电极尺寸和接触方法。最后，我们观察到所选丝材在面对内球红ox偶合时对预处理的响应并不相同，这表明在评估导电3D打印丝材电极时应考虑多种处理方式。

为了进一步了解这些丝材的电化学行为，我们采用了一系列物理和电化学方法，包括扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）和拉曼显微镜。我们还通过电化学方法对电极的背景反应、峰电流响应和峰电位分离进行了系统分析。研究结果表明，这些材料在不同的预处理条件下表现出不同的电化学行为，而这种差异可能源于材料本身的性质以及预处理方法对电极表面状态的影响。

通过这项研究，我们不仅揭示了不同丝材在不同预处理下的电化学性能差异，还为未来开发和应用3D打印电化学传感器提供了重要的指导。研究强调了在评估这些材料的电化学性能时，需要考虑多种因素，包括表面处理、电极几何形状以及未补偿电阻的影响。同时，我们还发现，电沉积金属纳米颗粒是一种非常有效的提升电极性能的方法，不论丝材的种类如何，这种方法都能显著改善电极的响应特性。这些发现为3D打印电化学设备的优化和应用提供了理论依据和实践参考。