詳解三維石墨烯傳感器

電極是電化學(xué)傳感器的核心材料。由于碳材料（活性炭，玻璃碳，碳納米管和石墨等）具有導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性且易加工等特點，已被廣泛地應(yīng)用于電化學(xué)電極材料之中。而石墨烯作為一種新型的二維納米碳材料，擁有更加優(yōu)異的導(dǎo)電性能和極高的比表面積，現(xiàn)已成為新型碳材料電極的最佳選擇。

　　新加坡南洋理工大學(xué)張華教授的課題組對氧化石墨烯的功能化修飾及其在電化學(xué)方面的應(yīng)用做出了較多的探討與研究，他們的工作也進一步肯定了石墨烯在電化學(xué)上具有廣闊的應(yīng)用前景。在2011年時，張教授的課題組就研制出了一種具有三維結(jié)構(gòu)的新型石墨烯材料，并將其應(yīng)用于電化學(xué)電容器（超級電容器）。該材料利用化學(xué)氣相沉積法并在高溫反應(yīng)下合成而出。這種新材料不僅具備極低的缺陷密度和優(yōu)異的導(dǎo)電性能，而其三維多孔的結(jié)構(gòu)增加了電極的比表面積，這有助于沉積在其表面的活性物質(zhì)與電解質(zhì)離子快速的接觸。值得指出的是，與傳統(tǒng)的基于氧化石墨烯制備石電極材料不同，他們的方法可以避免氧化石墨烯片在制備電極過程中相互堆積從而確保石墨烯的高比表面積特性。此外，從泡沫鎳上直接析出的三維石墨烯與集電極之間擁有極佳的電學(xué)接觸，因此成為了一個有效的媒介將電荷快速地從活性物質(zhì)向集電極傳輸。

三維石墨烯結(jié)構(gòu)

　　三維石墨烯材料在電化學(xué)電容器上的成功應(yīng)用，激勵了張教授的團隊繼續(xù)探討該種新型材料在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用。三維石墨烯材料優(yōu)秀的導(dǎo)電性能、快速的電荷傳輸特性及三維多孔結(jié)構(gòu)等特性都是一個電化學(xué)傳感器電極所需要的，由此他們預(yù)測三維石墨烯材料也可以應(yīng)用于電化學(xué)傳感器之中，而通過對三維石墨烯的進一步功能化修飾還可能進一步提高傳感器的性能。

　　張教授在接受采訪時說：“該項目我們是從2011年6月開始，到2012年3月結(jié)束。在研究初期，我們曾計劃用原位合成的方式，采用化學(xué)氣相沉積法將碳納米管直接生長在三維石墨烯表面，來得到三維石墨烯/碳納米管復(fù)合材料。但是由于催化劑納米顆粒難以完全去除，影響到電化學(xué)傳感器的測試結(jié)果，因此我們后期采用了電泳法將商業(yè)化的多壁碳納米管沉積在石墨烯表面來制備三維石墨烯/碳納米管的復(fù)合材料?！?/p>

　　在實驗進行中，研究人員也發(fā)現(xiàn)了三維石墨烯的一些弊端。由于三維石墨烯的合成利用了化學(xué)氣相沉積法且在高溫下完成，所以導(dǎo)致其表面不像氧化石墨烯那樣帶有較多的親水基團，這不利于在水相體系中對其作進一步的表面修飾。為了解決該問題，他們優(yōu)化了石墨烯的修飾條件并采用了有機溶劑反應(yīng)體系（或?qū)θS石墨烯進行電化學(xué)親水預(yù)處理）。另外，由于三維石墨烯的密度小和疏水性，若直接作為電極，其會漂浮在水面上，因此他們采用玻璃片作為基板，并將三維石墨烯用硅膠固定在玻璃片之上。三維石墨烯在去除了泡沫鎳基板之后，在電化學(xué)測試時攪拌產(chǎn)生的切應(yīng)力容易導(dǎo)致其破裂，而改進三維石墨烯合成條件，在適當(dāng)增加石墨烯膜的厚度后可較好地解決該問題。

　　該項工作以化學(xué)氣相沉積法合成的三維石墨烯來制備電化學(xué)傳感器電極，為該領(lǐng)域提供了一個新型的材料和研究方向。通過改進合成方法，提高三維石墨烯產(chǎn)率，并降低生產(chǎn)成本，三維石墨烯將具有極大的商業(yè)潛能。

　　在這項工作中，石墨烯主要起了一個導(dǎo)電基板的作用，但是張教授的團隊卻發(fā)現(xiàn)三維石墨烯本身也會對檢測物產(chǎn)生響應(yīng)。其結(jié)構(gòu)孔徑大小，石墨烯膜的厚度，都將影響三維石墨烯的導(dǎo)電性和比表面積，并進一步影響傳感器的性能。張教授指出，后續(xù)工作將深入研究三維石墨烯的性質(zhì)對電化學(xué)傳感器性能的影響。另一方面，該工作以檢測雙氧水分子為實例驗證了三維石墨烯在電化學(xué)傳感器上的潛在應(yīng)用。張教授還指出，通過對三維石墨烯的針對性修飾，還可以拓展到其他方面上的檢測，例如重金屬離子，水體毒性檢測，有毒氣體檢測等。

　　隨著納米材料和技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電化學(xué)傳感器將向著更加微型化和便攜化方向發(fā)展。通過充分認(rèn)識石墨烯的特性以及對其進行功能化修飾的深入研究，必將涌現(xiàn)出各種類型的基于石墨烯的新型復(fù)合材料。張教授最后闡述道，石墨烯在電化學(xué)傳感器上的研究熱點將是如何降低傳感器成本，并提高其精度、靈敏度、選擇性和對多樣檢測物的同時檢測能力。