【导读】

目前，具备耐用性好、灵敏度高优势的多功能气体传感器在安全检测，工业生产和环境保护等领域引起了广泛关注。碳基纳米材料由于其优异的吸附能力和独特的载流子迁移率，在降低电噪声的同时能最大程度地降低功耗，成为前景广阔的传感元件。尤其是单层石墨烯，通过将碳原子包裹在蜂窝晶格中，具有比表面积（SSA）大、载流子迁移率高的特点，在气体检测领域具有较大的应用潜力。

气体传感器的比表面积影响气体吸附和载流子传输，因此，防止石墨烯片不可逆的堆积和结块是至关重要的。3D 打印的石墨烯不仅具有极低的缺陷密度和优异的导电性，而且其 3D 多孔结构增大了传感装置的比表面积，从而促进了气体分子与石墨烯之间的快速接触，提高了电荷载流子的转移效率。目前，已有很多研究工作通过各种方式成功制备出 3D 石墨烯。然而，3D 石墨烯的可控制备、响应灵敏度和多功能检测等仍面临巨大挑战。

2020 年，中科院的董绍明院士团队在 Journal of Materials Science & Technology 上发表了题为 Interconnected graphene scaffolds for functional gas sensors with tunable sensitivity 的研究论文，通过 3D 打印制备机械强度和机电稳定性均较好的石墨烯支架，该支架可显著提高目标气体的吸附和电荷的转移率，实现工业生产中的气体检测。

研究团队基于捷诺飞研发的生物 3D 打印机（Regenovo 3D bioprinter V2.0）制备了一种灵敏度可调的石墨烯支架，扫描电子显微镜（SEM）显示，石墨烯片分布均匀，并没发现明显的团聚。放大的区域显示，石墨烯片垂直于横截面分布并产生了互连的导电网络，可增加比表面积，提高目标气体的吸附率和电荷载流子的传输效率。

石墨烯片的重排和取向分布可以通过挤出过程的剪切作用获得，且所制备的石墨烯支架的电学性质在横向和纵向上显示出明显的差异。对此，研究人员接着探究了压缩对特定支架电阻的影响，该支架的直径为 0.5 mm，质量分数为 25％，在所有制备的样品中具有优异的机械性能。线性电流 - 电压曲线显示，当压缩应力作用于支架的横向方向时，电阻在 0-15 MPa 的范围内小范围地增加，并且相对电阻（ΔR/ R0）在去掉外力后基本上可以恢复到初始值。其中，在直径为 0.5 mm 的样品中可获得相对较小的值 1.86％。这些结果表明，石墨烯支架在不同方向上具有优异的机电稳定性。

为了进一步研究石墨烯 / 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）复合材料对 H2O 和 NO2 的吸附机理，研究人员对支架进行了热处理以去除 PVP 涂层，使支架由完全暴露的石墨烯片组成，产生松散的网络结构。实验结果显示，支架的电阻可实现对 100 ppm H2O  和 100 ppm NO2 的实时响应，相对电阻变化分别达到 2％和 2.5％。

总之，本研究证明，可通过 3D 打印制备机械强度和机电稳定性均较好的石墨烯支架。互连的多孔网络结构可实现支架电阻对 H2O 和 NO2的实时响应。其中互连的导电网络可以产生较大的比表面积，显著提高目标气体的吸附和电荷转移率。本研究中的 3D 打印支架可进一步优化并应用在气体检测中，以监测工业生产中的湿度和氧化性污染气体。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030220304369?via%3Dihub