碳纳米管纳米复合传感器的研究进展综述

一维空心圆柱形碳纳米管纳米结构自被发现以来，在纳米技术的发展中起着至关重要的作用。在技术方面，碳纳米管既有原始形式的应用，也有纳米复合形式的应用。因此，碳纳米管可以根据不同的目的与各种导电和非导电基质复合。在传感技术方面，多功能碳纳米管纳米复合材料取得了重大突破。

在这方面使用的常见基质包括共轭聚合物，如聚（3,4-乙烯二氧噻吩）、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺等，以及一些热塑性塑料，如聚酰胺、聚氨酯等。在这些基质中，碳纳米管可以形成电子或电荷传输的渗透网络，并且还可以形成界面相互作用以获得良好的相容性、稳定性和鲁棒性。碳纳米管纳米复合材料的传感特性取决于其与分析物（气体/离子、生物分子或运动）之间的相互作用。因此，碳纳米管纳米复合材料已被用于开发高效的气体传感器、应变传感器和生物传感器。

据麦姆斯咨询报道，近期，西北工业大学NPU-NCP新型纳米材料缺陷工程国际联合研究中心的研究人员在e-Prime - Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy期刊上发表了题为“Highpoints of carbon nanotube nanocomposite sensors - A review”的综述文章，阐述了基于碳纳米管纳米复合材料的传感技术领域的最新进展。这篇综述在碳纳米管纳米复合材料传感器领域具有开创性的意义，包括概述、涵盖的文献和整体传感器设计到效率研究。文中综述了多功能传感器的设计和加工方法，为该领域的研究人员提供了有价值的资料。

碳纳米管是一种碳纳米同素异形体，碳原子以sp²杂化形成六角形结构，进而构成空心管状纳米结构。碳纳米管有单壁、双壁以及多壁碳纳米管纳米结构。独特的碳纳米结构实现了高表面积和优异的物理特性。这种独特的纳米结构是通过多种技术制备的，如化学气相沉积、激光烧蚀、电弧放电、催化生长和有机途径。

单壁、双壁和多壁碳纳米管的基本结构

文献中广泛研究了各种纳米结构对气体、离子和化学物质的传感性能。除了有利的结构和物理特性外，碳纳米管还具有惰性和生态特性，可在很多实际应用场景中使用。碳纳米管的重要传感特性包括电子和电荷传输。碳纳米管因其良好的灵敏度、选择性和快速响应特性，已被应用于各种传感领域。

气体传感器

由于碳纳米管与气体分子的吸附、连接和键合相互作用，碳纳米管已成功地应用于气体传感器设计。以纳米复合材料的形式，碳纳米管基纳米材料具有优异的导电性、耐久性和分子传感性能。根据聚合物的结构，碳纳米管可能会产生π-π相互作用，以利于电子和电荷通过系统。在气体分子中，已经对碳纳米管纳米复合材料进行了测试，发现其对氮、碳、硫和其它蒸汽的氧化物有效。

非共轭聚合物如聚酰胺/碳纳米管纳米复合材料已被应用于气体传感。共轭聚合物（聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩）的纳米复合材料经常被制造和研究用于传感。这种设计已被应用于形成用于NOx检测的传感器。此外，导电聚合物/碳纳米管纳米复合材料显示出对甲烷、卤素以及碳、硫和氮的氧化物等气体的传感。同样，基于聚苯胺和聚吡咯纳米复合材料的高效气体传感设计已用于氨气传感，也已在文献中报道。

聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯/多壁碳纳米管和聚苯胺/多壁碳纳米管纳米复合薄膜的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像

应变传感器

除了气体传感，应变传感领域也是具有良好电/光学响应的纳米复合材料的不可或缺的应用。特别是，在包括应变传感在内的多方面传感领域，填充导电纳米填料的聚合物纳米复合材料对目标分析物具有良好的稳定性和灵敏度。对于应变传感，热塑性塑料和共轭聚合物纳米复合材料也被采用。热塑性塑料，如聚氨酯和填充导电碳纳米颗粒的共轭基质，已被应用于应变传感器的设计。

热塑性聚氨酯/羟乙基棉纤维素纳米纤维/碳纳米管纳米复合材料的合成路线

在共轭聚合物中，聚苯胺、聚吡咯、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）等已被应用于应变传感设计。相关的纳米复合材料包括填充纳米碳纳米颗粒（如碳纳米管、炭黑、石墨烯等）的导电聚合物。导电纳米颗粒可以在基质中形成渗透网络，以促进电子传输特性。基本上，应变传感性能依赖于纳米复合材料的渗透和电子导电性特征。由于紧密的微观结构有利于电子通过系统，应变传感纳米材料具有高效的传感响应。

聚苯胺包覆碳纳米管纳米复合材料的扫描电镜图

生物传感器

纳米复合传感器也为生物和化学物质的检测提供了机会。聚合物/纳米碳，特别是聚合物/碳纳米管纳米复合材料已被报道用于高效的生物传感。据报道，几种基于碳纳米管的生物传感器设计具有高的表面与体积比、导电性、电催化活性、可再现性、灵敏度和对生物分子的快速响应。为了开发具有附加值的纳米生物传感器，需要采用协同分子建模和实验技术来更好地分析目标生物分子。

基于单壁碳纳米管的场效应晶体管传感器，用于检测SARS-CoV-2抗原

总而言之，研究人员报道了高效的碳纳米管纳米复合材料在气体传感、应变传感和生物传感应用方面的设计。对于这些传感器，碳纳米管已经在热塑性材料和共轭基质中得到增强。迄今为止的文献报道表明，选择特定的聚合物基质和制造策略从根本上提高了高科技传感设计的选择性、灵敏度、线性电阻响应和可再现性。使用共轭聚合物和碳纳米管纳米填料，可以在基质中形成更好的电子转移渗透网络，从而实现纳米材料的传感特性。因此，所开发的设计已被发现能更好地感知气体分子、运动变化和生物种。因此，研究人员的这项工作有益地突出了基于聚合物/碳纳米管纳米复合材料的传感器领域的进展，并可为该领域的科学家和研究人员提供有价值的指导，以进一步研究相应的发展和范围。

审核编辑：刘清