石墨烯传感器

北京科技大学《材料科学与工程选论》课程学习报告-1-目录摘要..........................................................................................................................................-2-1石墨烯简介...............................................................................................................................-4-2石墨烯的结构和性质...............................................................................................................-5-2.1石墨烯的结构...............................................................................................................-5-2.2石墨烯的性质...............................................................................................................-6-3石墨烯的表征...........................................................................................................................-7-4石墨烯的主要制备方法...........................................................................................................-9-5石墨烯传感器的研究进展....................................................................................................-10-5.1石墨烯的电化学基础................................................................................................-11-5.2石墨烯气体传感器....................................................................................................-12-5.3石墨烯生物小分子传感器........................................................................................-16-5.3.1H2O2...................................................................................................................-16-5.3.2NADH..................................................................................................................-17-5.3.3多巴胺..............................................................................................................-18-5.4石墨烯酶传感器........................................................................................................-18-5.5石墨烯DNA电化学传感器.........................................................................................-20-5.6石墨烯医药传感器....................................................................................................-21-6结论.......................................................................................................................................-23-参考文献....................................................................................................................................-24-北京科技大学《材料科学与工程选论》课程学习报告-2-摘要自从2004年发现石墨烯以来，由于其和二维结构相关的优异性能，石墨烯很快就成为材料科学和凝聚态物理研究的热点课题。石墨烯严格的二维结构使其具有优异的晶体特性和导电特性，尽管石墨烯研究的历史短，但是在物理和应用方面已有很多研究工作，本文简要介绍了这些内容。本文论述了石墨烯的发展，石墨烯的结构与性质，石墨烯的制备与表征。阐述了石墨烯电化学传感器和生物的研究进展，包括石墨烯的直接电化学基础、石墨烯对生物小分子（hydrogenperoxide,NADH,dopamine,etc.）的电催化活性、石墨烯酶传感器、基于石墨烯薄膜和石墨烯纳米带的实用气体传感器（可检测O2,CO,和NO2）、石墨烯DNA传感器和石墨烯医药传感器（可用于检测扑热息痛）。最后总结展望了该领域的发展前景。关键词：石墨烯，石墨烯氧化物，传感器，电催化北京科技大学《材料科学与工程选论》课程学习报告-3-ResearchProgressinGraphene-basedSensorsAbstractSincethe2004discoveryofgraphene,duetoitstwo-dimensionalstructureandexcellentproperties,graphenesoonbecameahottopicintheresearchofmaterialsscienceandcondensedmatterphysics.Thestrictlytwo-dimensionalstructuremakesithasexcellentcrystalpropertiesandconductiveproperties.Althoughtheresearchhistoryisshort,therearealotofresearchworksinphysicsandapplications.Recentadvancesingraphen-basedelectrochemicalsensorsandbiosensorsarereviewe．Inparticular.graphenefordirectelectrochemistryofenzyme.Itselectrocatalyticactivitytowordssmallbiomolecules(hydrogen,peroxide,NADH,dopamine.).Andgrapheme-basedenzymebiosensorsaresummarizedinmoredetail．PerformancesofthepracticalsensorscomposedofgraphenefilmsandribbonsforO2，CO，andNO2arediscussed．Graphene-basedDNAsensingisdiscussed．Andanovelelectrochemicalsensorthatwasfabricatedwithgrapheme-modifiedglassycarbonelectrodes(GCEs)isdescribed．Itcanbeusedforultrasensitivedeterminationofparacetamolinpharmaceuticalproducts.Keywords:graphene，grapheneoxide(GO)，sensor，electrocatalytic北京科技大学《材料科学与工程选论》课程学习报告-4-1石墨烯简介2004年，英国曼彻斯特大学(UniversityofManchester)AndreK.Geim等[1]以石墨为原料，通过微机械力剥离法得到一系列叫作二维原子晶体(two-dimensionalatomiccrystals)的新材料——“石墨烯(graphene)”。石墨烯的英文名字为Graphene，最早出现在1987年，当时科学家用之称谓“单层石墨”，或描述碳纳米管(nanotube)；所以碳纳米管也被认为是卷成圆桶的石墨烯。很明显，该命名与石墨(graphite)有关。与碳纳米管相比，石墨烯有完美的杂化结构，大的共轭体系使其电子传输能力很强，而且合成石墨烯的原料是石墨，价格低廉，这表明石墨烯在应用方面将优于碳纳米管。与硅相比，石墨烯同样具有独特优势：硅基的微计算机处理器在室温条件下每秒钟只能执行一定数量的操作，然而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力，所产生的热量也非常少。另外，石墨烯本身就是一个良好的导热体，可以很快地散发热量。由于具有优异的性能，如果由石墨烯制造电子产品，则运行的速度可以得到大幅提高。速度还不是石墨烯的唯一优点。硅不能分割成小于10nm的小片，否则其将失去诱人的电子性能；与硅相比，石墨烯被分割时其基本物理性能并不改变，而且其电子性能还有可能异常发挥。因而，当硅无法再分割得更小时，比硅还小的石墨烯可继续维持摩尔定律，从而极有可能成为硅的替代品推动微电子技术继续向前发展。石墨烯跟钻石一样，都是纯碳，但它比钻石硬很多。石墨烯是由碳原子构成的二维晶体，碳原子排列与石墨的单原子层一样，成蜂窝状(honeycomb)。虽然它很结实，但是柔韧性跟塑料包装一样好，可以随意弯曲、折叠或者像卷轴一样卷起来。石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，（或更准确地，应称为“载荷子”）的性质和相对论性的中微子非常相似。“石墨烯”又名“单层石墨片”，是指一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子，碳原子排列成二维结构，与石墨的单原子层类似(图1-1)。Geim等北京科技大学《材料科学与工程选论》课程学习报告-5-[2]利用纳米尺寸的金制“