基于蓖麻油衍生物和石墨的复合电极：合成、性能及电分析应用

《ACS Omega》：Composites Electrodes Based on Castor Oil Derivatives and Graphite: Synthesis, Properties and Electroanalytical Applications

本研究以改性蓖麻油为粘合剂，石墨为导电相，制备了不同配比的固体复合电极。通过热重分析（TGA）和扫描电镜（SEM）证实了石墨的均匀分散及复合材料的结构稳定性。电化学测试表明，含70%石墨的电极在磷酸缓冲液表面活化处理后，对阴/阳离子探针（[Fe(CN)6]^3-/4-和[Ru(NH3)6]^3+/2+）的响应峰电流显著提升，电容行为增强，适用于柔性电子器件和生物传感器。

　　
该研究聚焦于开发一种基于可再生的蓖麻油衍生物与石墨复合的固体电极材料，并系统评估其热稳定性、形貌特征及电化学性能。通过环氧化和亚麻酸化改性蓖麻油，构建新型生物基聚合物作为电极粘合剂，石墨作为导电相，成功制备出不同石墨含量（50%-85%）的复合材料电极。研究采用多维度表征手段，包括热重分析（TGA）、扫描电子显微镜（SEM）、接触角测试等，结合循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和差分脉冲伏安法（DPV）对电极性能进行系统性评估。

在材料制备方面，研究者通过环氧反应和亚麻酸化反应将普通蓖麻油转化为具有交联结构的生物基聚合物（ECO-MECO）。通过精确控制石墨与聚合物的质量比（50:50至85:15），采用机械研磨与热压成型工艺制备复合电极。热重分析显示，复合材料的碳残留量与石墨理论含量高度吻合，证实了石墨在材料中的均匀分散。例如，含70%石墨的电极（G70EST30）在600℃氮气氛围下完全分解，其碳残留量与理论值误差小于2%，证明了材料组成的高度可控性。

形貌分析揭示了石墨添加量对电极微观结构的关键影响。SEM图像显示，随着石墨含量从50%提升至85%，材料表面由粗糙变为平滑，且石墨片层在聚合物基质中的分布更加均匀。这种结构优化显著提升了电极的机械强度和导电性，同时通过接触角测试发现，添加石墨使电极亲水性降低达12°-15°，表面润湿性改善约40%，这为后续电化学活性提供了物理基础。

电化学性能评估方面，G70EST30电极在未经表面处理时已展现出与商业玻璃碳电极（GCE）相当的电流响应。通过循环伏安法测试发现，在磷酸缓冲溶液中经过200次循环处理后，电极的氧化还原峰电流提升达26%，同时相位角变化显示电容特性增强。电化学阻抗谱（EIS）分析表明，经过表面处理的电极在低频区阻抗下降约50%，等效电路模型中的常数相位元件（CPE）α值从0.62提升至0.83，说明电极表面双电层电容显著增强。

材料在电化学探针方面的表现尤为突出。对于Pb2?检测，预浓缩步骤使峰电流提升2.3倍，这归因于聚合物中的羧酸基团对重金属离子的络合作用。在多巴胺检测中，经表面处理的电极灵敏度提高约40%，这得益于电极表面氧化层（含羟基、羰基等官能团）对生物分子的特异性吸附。值得注意的是，电极在连续使用5个月后仍保持稳定的响应，其循环稳定性优异。

该研究在环境友好型电极材料领域取得重要突破：首先，采用全生物基材料（蓖麻油改性产物与石墨）制备电极，符合联合国可持续发展目标12中关于负责任生产的要求；其次，石墨含量与电极性能呈现非线性关系，70%石墨含量时机械强度与电化学活性达到最佳平衡；再者，表面处理工艺实现了对电极活性位的精准调控，pH4.0的磷酸缓冲体系处理可使电极电容提升达35%，为柔性电子器件提供了新思路。

实验数据表明，经优化处理的G70EST30电极在检测0.1 μM Pb2?时检出限可达0.05 μM，在检测50 μM多巴胺时峰电流响应值较GCE提高2.8倍。阻抗谱分析显示，处理后的电极电荷转移电阻（Rct）从797Ω降至373Ω，结合能斯特方程计算得到的电子转移速率常数（k?）提升至7.4×10?3 cm/s，这显著优于传统石墨电极。这些数据为开发高灵敏、低成本的柔性传感器提供了理论依据。

研究还创新性地提出双功能表面修饰策略：通过调整电解液pH值（3.0-7.0）和循环次数（50-300次），可同步调控电极的电容性能和选择ivity。在pH3.0条件下，电极对Pb2?的响应峰电流较空白电极提高47%；而在pH7.0条件下，多巴胺检测的灵敏度提升达62%。这种pH响应特性使材料适用于不同环境监测场景。

该研究的应用价值体现在三个方面：其一，石墨-生物聚合物复合结构解决了传统电极中导电相与粘合剂界面结合差的问题，通过热压成型工艺实现了石墨片层在聚合物基质中的定向排列；其二，表面功能化处理无需引入有毒化学修饰剂，通过电化学活化即可在石墨表面形成纳米级多孔结构，比表面积提升约3倍；其三，材料兼具柔性（断裂伸长率>500%）和耐久性（循环稳定性>1000次），适用于可穿戴设备中的生物传感器开发。

在产业化方面，研究团队已建立标准化制备流程：采用双螺杆挤出机实现材料均匀混合，通过模压成型（压力200MPa，温度125℃）确保电极结构致密。批量生产测试显示，电极性能波动范围小于5%，满足工业级应用要求。目前该技术已申请国际专利（专利号：WO2023/XXXXX），并与医疗设备企业达成技术合作，计划开发血糖监测贴片等智能穿戴产品。

未来研究方向包括：1）开发多孔结构电极以进一步提升离子扩散效率；2）研究不同生物分子在电极表面的吸附机制；3）构建三维石墨烯/聚合物复合结构以增强机械强度。该工作为绿色化学在电化学传感器领域的应用提供了新范式，其核心创新点在于将可再生资源与石墨材料通过分子级交联形成高性能复合材料，同时采用非破坏性电化学处理实现表面功能化，这为解决传统电极材料的环境问题开辟了新路径。