石墨烯负载ZnO等纳米颗粒的制备及性能研究(4)

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我们可以看出气敏技术发展趋势如下：（1）气敏材料从原来的单一材料向复合型材料发展，可通过掺杂、共聚、复合、基体负载等各种手段来获得高性能的气敏材料。（2）降低传感器的能耗，达到节能的目的；提高传感器的响应恢复速度，满足实际生产应用中快速检测的要求。（3）技术更加先进, 结构类型多样；优化电路设计，实现传感器的微型化和集成化。

1.2 石墨烯及氧化石墨烯

1.2.1 石墨烯的概述

石墨烯是按六方晶格规律排布形成的点阵，呈现出蜂窝状结构。它具有优良的热学[9]、光学[10]和力学性能[11]。碳原子通过σ 键与相邻的3个碳原子连接，这些强C-C键的网状结构使石墨烯片层具有优异的结构刚性。每个碳原子上都有1个未成键的电子，这些电子在与原子平面垂直的方向上形成的离域 π轨道上自由运动，赋予石墨烯良好的导电性[12]。石墨烯中电子的典型传导速率为8×105 m•s-1 ，接近光在真空中传播速度的1／400，比一般半导体的电子传导速率大得多[13]。此外，石墨烯比表面积高达 2630 m2•g-1 [14]，在室温条件下也能观察到量子霍尔效应，这使得石墨烯有望成为非常有前景的气体检测材料。论文网

气体分子吸附在石墨烯上，会引起石墨烯的电导率发生变化，这是由于吸附的气体分子会提供或接受电子。此外，石墨烯的一些独特性质可以使石墨烯传感器的检测灵敏度达到单个原子或分子的水平。首先，石墨烯是一种严格的二维材料，所以碳原子都暴露在表面吸附物中，增强了与吸附物的相互作用。其次，石墨烯的约翰逊噪声（当温度在绝对零度以上，由于电荷载流子的热运动而引起的噪音）非常小，载流子微小的浓度变化都会引起电导发生显著的变化，使得石墨烯基传感器的灵敏度非常高[15]。

2007年Schedin等[15]首先发现，用石墨烯制备的传感器可以检测到单个分子在石墨烯表面的吸附和解吸附行为，这引起了科学界的极大关注。

1.2.2 石墨烯的化学改性

尽管石墨烯有超大的比表面积和高的电子迁移率，且载流子浓度小的改变就会引起石墨烯电阻率的显著改变，但研究发现本征石墨烯传感器只对极少数气体有较强的吸附作用和高的灵敏度，气体脱附缓慢，而且气体的选择性差，因此需要通过掺杂或功能化来增强石墨烯对特定气体的气敏性能，从而提高石墨烯基传感器对特定气体的灵敏度和选择性。此外，由于低缺陷的石墨烯表面基团较少，石墨烯片层间存在的范德华力和静电力等易使得石墨烯发生团聚现象，极大限制了石墨烯的应用，因此需要对石墨烯进行化学改性。

石墨烯的化学改性可以分为两大类：（1）石墨烯的非共价改性，利用功能性基团和石墨烯片层间的范德华力或静电力[16]，得到有特定功能的石墨烯复合材料，该方法能最大程度保留石墨烯自身特性，但材料的稳定性较差。（2）石墨烯的共价改性，利用功能性基团和石墨烯片层间的共价键合，得到稳定的复合材料[17]，但是由于引入其他官能基团，往往导致石墨烯共轭结构的破坏，影响石墨烯的性能发挥。文献综述

1.2.3 氧化石墨烯（GO）

氧化石墨具有典型的准二维层状结构，含有丰富的亲水性的羟基和羧基等含氧活性基团，很容易在水溶液中分散。从石墨经Hummers法[18]氧化得到氧化石墨，再进一步用机械方法，如溶剂中超声分散或高剪切剧烈搅拌或热解膨胀等，制备稳定的、棕色的氧化石墨烯悬浮液，再还原形成石墨烯。这个氧化—剥离—还原的过程可有效对氧化石墨烯进行表面改性，增强其复合性能，从而实现石墨烯在水溶液中的均匀分散[19]。