Printed Graphene for energy storage and sensing applications

Abstract

El objetivo de esta tesis ha sido el diseño y la preparación de electrodos flexibles basados en grafeno utilizando diferentes técnicas de impresión para aplicaciones de almacenamiento de energía, específicamente supercondensadores y sensores electroquímicos. Se han empleado diferentes estrategias teniendo en cuenta la aplicación final y, por consiguiente, el grafeno o sus híbridos se prepararon utilizando diferentes rutas sintéticas junto con una selección cuidadosa de las técnicas de impresión disponible, así como los sustratos. Para la parte de almacenamiento de energía (Capítulo 2), se han demostrado dispositivos de tipo supercondensador con alta capacidad, energía y densidad de potencia sobre tela (tela de carbono), papel (papel A4 común) y sustratos plásticos utilizando diferentes técnicas de impresión, híbridos de grafeno y electrolitos híbridos. En el caso de las aplicaciones de sensores (Capítulo 3), se han demostrado dos sensores sobre sustratos plásticos. Se muestra un (bio)sensor de ADN de alta sensibilidad para virus que utiliza la impresión fácil en un solo paso, y cuyo principio de operación y estructura se pueden extender a otros bioanalitos con interés para aplicaciones en diversas áreas. En otro estudio, se preparó una tinta inyectable de grafeno muy estable y de muy alta concentración y se demostró su uso como sensor bacteriano como prueba de concepto. La tinta de grafeno preparada podría producir impresiones altamente conductoras que, en principio, pueden ser aplicables a otros sensores bio- o químicos con alta sensibilidad. Se llevaron a cabo estudios de diferentes técnicas de impresión y se formularon y probaron las tintas adecuadas para cada técnica con la optimización de los parámetros de impresión para obtener películas reproducibles y, por lo tanto, la fabricación del dispositivo reproducible ha sido el objetivo final. Las principales técnicas de impresión / recubrimiento utilizadas en esta Tesis son el recubrimiento tipo Doctor blade, la impresión por chorro de tinta (inkjet), la serigrafía (screen printing y la novedosa técnica de estampado con cera. El proyecto implicó, por lo tanto, una parte muy importante de síntesis y caracterización del grafeno y derivados, la formulación de tintas y, finalmente, la integración y ensayo de dispositivos.

The focus of this thesis has been the design and preparation of flexible graphene-based electrodesand their printing using different techniques for applications in energy storage, specifically supercapacitors and electrochemical sensing devices. Different strategies have been employed keeping in mind the end application and accordingly graphene or its hybrids wereprepared using different synthetic routes along with careful selection of the available printing techniques as well as the substrates. For energy storage part(Chapter 2), Supercapacitor devices with high capacitances, energy and power density have been demonstrated over Cloth (Carbon), Paper (Common A4 paper) and Plastic substrates using different printing techniques, graphene hybrids as well as hybrid electrolytes. In the case of Sensing applications(Chapter 3),two sensors have been demonstrated over plastic substrates. A high sensitivity DNA (Bio)sensor for viruses using one step facile printing is shown, which structure and operation principle can be extended to other bio-analytes with interest for applications in various areas. In another study, extremely high concentration yet stable graphene inkjet printable ink has been prepared and its use as a bacterial sensor has been demonstrated as a proof of concept. The graphene ink prepared could produce highly conducting patterns that in principle can offer other bio or chemical sensing with high sensitivities. Studies of different printing techniques were carried out and suitable inks were formulated and tested for each technique with optimization of the printing parameters in order to obtain reproducible films and hence reproducible device fabrication has been the focus. The main printing/coating techniques used in this Thesis are Doctor blade coating, Inkjet printing, screen printing and wax stamping technique. The project therefore involved a very important part of synthesis and characterization of graphene and derivatives, formulation of inks and finally device integration and testing