摘要：可穿戴电子产品有望成为未来十年内最活跃的研究领域之一。因此，具有高载流子迁移率、光学透射率、机械稳定性和柔韧性、轻质性和环境稳定性的纳米材料将具有巨大的需求。石墨烯是满足所有这些要求的纳米材料之一，此外，石墨烯还具有其他固有的独特性能，可以方便地制造出不同形态的纳米结构，从原子薄的单层到纳米带等。石墨烯材料也在传感器技术中得到了研究，从化学传感到癌症生物标志物的检测。本文综述了石墨烯柔性气体和化学传感器在材料制备、传感器制造和性能等方面的研究进展。本文简要介绍了石墨烯基材料及其在柔性可伸缩可穿戴电子设备中的潜在应用，及石墨烯在制造用于检测各种有害气体的柔性气体传感器中的作用，包括二氧化氮(NO2)、氨气(NH3)、氢(H2)、硫化氢(H2S)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)和湿度。此外，还综述了石墨烯材料在检测有毒重金属离子(Cd、Hg、Pb、Cr、Fe、Ni、Co、Cu、Ag)和挥发性有机化合物(VOCs)等方面的应用，包括硝基苯、甲苯、丙酮、甲醛、胺、酚、双酚A(BPA)、炸药、化学战剂、环境污染物等。本文还讨论了石墨烯气体和化学传感器的灵敏度、选择性和排除干扰的策略。此外，还强调了为可穿戴技术开发可伸缩、可弯曲、可用于物联网(IoT)的新一代传感器所面临的挑战。

　　图1。(a)柔性氧化石墨烯和银纳米线/聚对苯二甲酸乙二醇酯(GO-AgNW/PET)片(涂层面积= 20×40 cm)照片。(b)柔性GO-AgNW/PET薄膜弯曲至4mm半径的照片。(c)柔性GO-AgNW/PET弯曲循环时的相对电阻变化(ΔR/R0)，弯曲半径为4mm。[ref 107]。(d) 柔性rGO/ PDMS以不同弯曲半径2mm到30mm弯曲循环时的相对电阻变化(ΔR/R0)。(e) rGO以5mm弯曲半径弯曲1000的循环时的相对电阻变化(ΔR/R0)。插图显示了循环弯曲试验前后rGO片基电路的光学图像。(f)将大面积柔性rGO/PDMS电路集成到LED芯片中，这些电路在手工捻线和用滚笔缠绕时显示强光照明。

　　图2。(a)柔性(PDMS)衬底上片状石墨烯纳米线(GNWs)的SEM图像。采用GNWs/PDMS复合材料制备了一种柔性可穿戴温度传感器。(b) GNWs在PDMS上的横截面SEM图像。(c) GNWs与石墨烯层的HRTEM图像。(d) PDMS基板上GNWs薄膜的拉曼光谱。(e)柔性GNWs/PDMS温度传感器的结构示意图。插图为光学图像，显示了所制温度传感器的柔性。(f) GNWs/PDMS传感器的热响应。在5v电压下，电流和电阻随温度的变化，从25℃(室温)到120℃范围。插图显示一个GNWs/PDMS温度传感器附加在手上。

　　图3。用于人类和机器人的基于石墨烯的可穿戴传感器。(a)基于石墨烯的可穿戴传感器照片。(b)手指弯曲时可穿戴传感器发出的响应信号。插图显示手指弯曲位置到相应信号的照片。（c）基于石墨烯的可穿戴设备(red box area)附着在膝盖上。(d)可穿戴设备附着在膝盖上的响应——不同的弯曲/伸展、行走、慢跑、跳跃和蹲跳动作。(e)贴于喉部的可穿戴传感器(红色框区)。(f)可穿戴设备连接到喉咙的响应曲线。(h)戴在手腕上的可穿戴传感器在佩戴前(空载)和说hi，hello，sensor，graphene的响应，(i)穿戴式传感器(红色框区)，贴于胸部。(j)穿戴前、放松时、运动后佩戴于胸部的可穿戴传感器的响应。(k)深睡眠和浅睡眠时，翻身颤抖时，佩戴在胸部的可穿戴传感器的响应。(l)机器人在包括肘、腰和膝盖在内的不同活动关节(以红框标记)上佩戴石墨烯纤维传感器。(m)机器人在江南Style舞蹈中肘部(黑线)、腰部(红线)、膝部(蓝线)可穿戴传感器响应。

　　图4。(a)基于石墨烯的NH3和NO2气体分子传感器示意图。(b)石墨烯传感器NH3和NO2气体分子的响应灵敏度。(c)石墨烯传感器的灵敏度随NO2浓度从25ppm增加到200ppm时的变化。(d)石墨烯传感器在暴露在NO2气体中120 s和紫外线照射120 s后，其最大灵敏度随NO2浓度的增加而增加。

　　图5。(a)基于石墨烯的气体传感器的制作过程。(b) 石墨烯在铜箔上形成图案后的光学显微镜图像。(c)在聚酰亚胺(PI)基板上制备的柔性石墨烯气体传感器。(d)沉积在PI和原始PI基板上的三层石墨烯的透射光谱。(e)铜箔、无图案和图案石墨烯在铜箔上的拉曼光谱。(f)全石墨烯传感器图形化前后电流电压(I-V)特性。

　　图6。(a)全石墨烯传感器对不同浓度的NO2气体的响应曲线，外加电压60 v。(b) 气体浓度与响应值的线性拟合，外加电压60 v。(c)相对湿度(RH)为20%和50%时，全石墨烯传感器暴露在5 ppm NO2气体中的相对电阻变化(ΔR/R0) 外加电压60 v。 (d) 室温下全石墨烯传感器暴露在5 ppm的NO2，50 ppm氨气(NH3)，50% RH，50 ppm乙醇，以及50ppm丙酮中时的相对电阻变化(ΔR/R0)。[ref 160]

文献来源：Flexible Graphene-Based Wearable Gas and ChemicalSensors. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 34544−34586

来源：OIL实验室