Abstract In this work, we reported the design and synthesis of a new type of polymer-graphene hybrid material by supramolecular self-assembly of polyacrylic acid (PAA) and graphene to form a robust sponge-like PAA-graphene gel (PAA-GG) with internally well-defined porous structure, followed by electrodepositon of high-density and well-dispersed MnO2 nanowires on outer and inner surface of PAA-GG scaffold. The as-obtained MnO2/PAA-GG uniquely combines a series of structural and electrochemical characteristics of its precursors, including large surface area, improved capacitive properties and enhanced electrocatalytic activities, fostering versatile applications as electrochemical capacitor and biosensor. Our results show that the symmetric capacitor assembled by MnO2/PAA-GG electrode presents a specific capacitance of 123 F g−1 under a current density of 0.5 A g−1, and its specific capacitance only loss 13.8% after 5000 cycles. For potential application as electrochemical biosensor, MnO2/PAA-GG exhibits high sensitivity and selectivity in nonenzymatic detection of H2O2. The linear range is between 0.05 mM and 50 mM with a low detection limit down to 10 μM, which enables it to be used for real-time tracking of H2O2 secretion in live cells. These promising features make the inorganic/polymer-graphene hybrid gel attractive for a wide spectrum of applications in energy, electrocatalysis and bioanalytical areas.

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无机/聚合物-石墨烯混合凝胶作为电化学电容器和生物传感器的通用电化学平台

摘要 在这项工作中，我们报道了一种新型聚合物-石墨烯杂化材料的设计和合成，该材料通过聚丙烯酸 (PAA) 和石墨烯的超分子自组装形成坚固的海绵状 PAA-石墨烯凝胶 (PAA-GG)具有内部明确的多孔结构，然后在 PAA-GG 支架的外表面和内表面电沉积高密度和分散良好的 MnO2 纳米线。所获得的 MnO2/PAA-GG 独特地结合了其前体的一系列结构和电化学特性，包括大表面积、改进的电容特性和增强的电催化活性，促进了作为电化学电容器和生物传感器的多功能应用。我们的结果表明，由MnO2/PAA-GG电极组装的对称电容器在0.5 A g-1的电流密度下呈现出123 F g-1的比电容，并且其比电容在5000次循环后仅损失13.8%。对于作为电化学生物传感器的潜在应用，MnO2/PAA-GG 在 H2O2 的非酶检测中表现出高灵敏度和选择性。线性范围介于 0.05 mM 和 50 mM 之间，检测限低至 10 μM，使其能够用于实时跟踪活细胞中的 H2O2 分泌。这些有前途的特性使无机/聚合物-石墨烯混合凝胶在能源、电催化和生物分析领域的广泛应用中具有吸引力。MnO2/PAA-GG 在 H2O2 的非酶促检测中表现出高灵敏度和选择性。线性范围介于 0.05 mM 和 50 mM 之间，检测限低至 10 μM，使其能够用于实时跟踪活细胞中的 H2O2 分泌。这些有前途的特性使无机/聚合物-石墨烯混合凝胶在能源、电催化和生物分析领域的广泛应用中具有吸引力。MnO2/PAA-GG 在 H2O2 的非酶法检测中表现出高灵敏度和选择性。线性范围介于 0.05 mM 和 50 mM 之间，检测限低至 10 μM，使其能够用于实时跟踪活细胞中的 H2O2 分泌。这些有前途的特性使无机/聚合物-石墨烯混合凝胶在能源、电催化和生物分析领域的广泛应用中具有吸引力。