Synthesis and electrochemical applications of boron- and phosphorus-doped carbon nanotubes

Thaha, Yudi Nugraha GND

The catalytic chemical vapor deposition method was applied for the synthesis of B-MWCNTs and P-MWCNTs. P-MWCNTs and B-MWCNTs with different structures, namely vertically aligned, hollow vertically aligned, Y-shaped and horizontally oriented nanotubes were produced by using different doping and carbon source materials. The B-MWCNTs and P-MWCNTs were characterized using Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy in combination with electron energy loss spectroscopy and X-ray photo electron spectroscopy. The B-MWCNTs and P-MWCNTs were electrochemically studied by using either [Fe(CN)6]^3-/4- redox system in KCl solution or dopamine/dopamine quinone redox system in phosphate buffer solution (pH=7) by means of cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The effects of surface functionalisation with AuNPs, oxidation with piranha solution, and acid treatment with HCl on the electrochemical response of B-MWCNTs and P-MWCNTs towards [Fe(CN)6]^3-/4- and dopamine/dopamine quinone were also studied. The results demonstrated that the electrochemical behaviour of B-MWCNTs and P-MWCNTs is strongly influenced by the nanotubes structure and configuration (sole nanotube or cluster nanotubes) as well as by the presence of reaction by-product on the nanotube surface such as carbon cluster and onion-like carbon. Y-shaped B-MWCNTs show faster electron transfer compared to either vertically aligned B-MWCNTs or P-MWCNTs with nanographitic carbon cluster. The kinetic for electron transfer on Y-shaped B-MWCNTs and P-MWCNTs with nanographitic carbon cluster enhances upon AuNPs functionalisation.

Bor-dotierte (B-MWCNT) und Phosphor-dotierte (P-MWCNT) Kohlenstoffnanoröhren wurde mittels chemischer Gasphasenabscheidungstechnik erfolgreich hergestellt. Durch die Verwendung unterschiedlicher Kohlenstoffquellen und Dotierungsmitteln zeigen die Phosphor- und Bor-dotierten MWCNTs unterschiedliche Strukturen. Dabei treten neben vertikal ausgerichteten, hohlen vertikal ausgerichteten, Y-förmige auch horizontal orientierte Nanoröhren auf. Die dotierten MWCNTs wurden unter Verwendung von Raman-Spektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie (in Kombination mit Elektronenenergieverlustspektroskopie) und Röntgen-Photoelektron Spektroskopie umfassend charakterisiert. Neben der physikalischen Charakterisierung wurden sowohl die B-MWCNTs als auch die P-MWCNTs elektrochemisch untersucht, indem als Modellredoxsystem [Fe(CN)6]^3-/4- in KCl Lösung angewendet wurde. Die hergestellten Elektroden wurden dann für das biologisch relevante Dopamin/Dopaminchinone Redox-System (in Phosphatpufferlösung, pH=7) angewendet. Hierfür wurden sowohl die Zyklische Voltametrie als auch die Elektrochemische Impedanz Spektroskopie verwendet. Im Folgenden wurden die Effekte der Oberflächen-funktionalisierung mit Goldnanopartikeln (AuNP), Oxidation mit Piranha Lösung und Säurebehandlung mit HCl auf die elektrochemischen Eigenschaften von B-MWCNTs und P-MWCNTs studiert. Auch hier wurde sowohl das Modellesystem [Fe(CN)6]^3-/4- als auch der Anwendungsfall mit dem Dopamin/Dopaminchinone Redoxsystem betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass das elektrochemische Verhalten von B-MWCNTs und P-MWCNTs stark durch die Nanoröhrenstruktur und Konfiguration (einzelne Nanoröhren oder Cluster- Nanoröhren), sowie durch die Anwesenheit von amorphen Kohlenstoffstrukturen auf der Nanoröhrenoberfläche beeinflusst wird. Y-förmige B-MWCNTs zeigen einen schnelleren Elektronentransfer im Vergleich zu vertikal ausgerichteten dotierten B-MWCNTs und P-MWCNTs welche teilweise mit amorphen Kohlenstoffstrukturen bedeckt sind. Die Kinetik für den Elektronentransfer auf Y-förmige B-MWCNTs und P-MWCNTs mit Kohlenstoff auf der Oberfläche lässt sich durch den Einsatz von AuNP weiter verstärken.

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Thaha, Yudi Nugraha: Synthesis and electrochemical applications of boron- and phosphorus-doped carbon nanotubes. Ilmenau 2018.

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