Graphene-based hydrogels for gas sensing and further applications

In recent years, the development of intelligent materials has given a strong impetus to the birth of different new monitoring systems, including sensors for gas detection. Polymeric hydrogels, both in their conventional and lyophilized form, thanks to their easily engineerable properties such as their characteristic crosslinked structure, swelling behavior, responsiveness, and biocompatibility, represent a very promising material for this kind of applications. This thesis work, structured in two sections, aims to address this issue through the study of hydrogels composed of an innovative material, such as graphene nanosheets, as possible candidates for detection of volatile organic compounds, also proposing a possible solution to increase their sensitivity. The first section is dedicated to a brief introduction to sensors and biosensors, to the description of the main characteristics of hydrogels and their responsive properties. This section also presents a review of the most recent studies on the application of these materials in the different sensing categories, which will be soon published in the Encyclopedia of sensors and biosensors (Elsevier). In the second section, which is the core of the project, we examinate the preparation and characterization of hydrogels consisting of graphene oxide (GO) and three different conducting polymers (polypyrrole, polyaniline and PEDOT), synthesized by in situ polymerization of the respective monomers within a GO dispersion using different ratios between the reactants. The detection capacity of cyclohexane was then tested and the improvement of the sensitivity of the material following the addition of graphene nanoplatelets was subsequently discussed. Some of the formulations, particularly those based on polyaniline, have shown a high sensitivity. Finally, an additional formulation was obtained by crosslinking the GO sheets with chitosan and tested as an adsorbent material.

Negli ultimi anni, lo sviluppo di materiali intelligenti ha dato un forte impulso alla nascita di nuovi diversi sistemi di monitoraggio, compresi i sensori per la rilevazione di gas. Gli idrogel di natura polimerica, sia nella loro forma convenzionale, sia in forma liofilizzata, grazie alle loro proprietà facilmente ingegnerizzabili come la loro caratteristica struttura reticolata, la capacità di swelling, la responsività e la biocompatibilità, rappresentano un materiale molto promettente per questo genere di applicazioni. Questo lavoro di tesi, strutturato in due sezioni, ha lo scopo di affrontare questa tematica attraverso lo studio di idrogel costituiti da un materiale innovativo, i nanofogli di grafene, come possibili candidati ad applicazioni di sensing di composti organici volatili, proponendo inoltre una possibile soluzione per incrementarne sensibilità. La prima sezione è dedicata ad una breve introduzione ai sensori e ai biosensori, alla descrizione delle principali caratteristiche degli idrogel e delle loro proprietà responsive. In questa sezione è anche presentata una rassegna dei più recenti studi sull’applicazione di questi materiali nelle diverse categorie di sensing, che sarà prossimamente pubblicata nell’ Encyclopedia of sensors and biosensors (Elsevier). Nella seconda sezione, che costituisce il cuore del progetto, sono esaminate la preparazione e la caratterizzazione degli idrogel a base di ossido di grafene (GO) e di tre diversi polimeri conduttori (polipirrolo, polianilina e PEDOT), sintetizzati attraverso una polimerizzazione in situ dei rispettivi monomeri all’interno di una dispersione di GO valutando diversi rapporti tra i reagenti. Si è poi testata la capacità di rilevazione di cicloesano e si è successivamente discusso il miglioramento della sensibilità del materiale a seguito dell’aggiunta di nanopiastrine di grafene. Alcune delle formulazioni, in particolare quelle a base di polianilina, hanno mostrato una elevata sensibilità. Infine, una formulazione aggiuntiva è stata ottenuta attraverso la reticolazione dei fogli di GO con chitosano ed è stata testata come materiale adsorbente.