用等离子体改性石墨烯片以生产更好的气体传感器

气体传感技术在我们的现代世界中发挥着至关重要的作用，从确保我们在家庭和工作场所的安全到监测环境污染和工业过程。传统的气体传感器虽然有效，但在灵敏度、响应时间和功耗方面往往存在局限性

为了解决这些缺点，气体传感器的最新发展集中在碳纳米材料上，包括一直流行的石墨烯。这种多功能且相对便宜的材料可以在室温下提供出色的灵敏度，同时消耗最小的功率。因此，石墨烯具有彻底改变气体检测系统的潜力

在此背景下，日本千叶大学科学研究生院的Tomonori Ohba副教授领导的一个研究小组探索了一条有前景的途径，以进一步改善石墨烯的传感性能

正如他们在ACS应用材料与界面杂志上发表的最新论文中所报道的那样，该团队研究了用不同气体等离子体处理的石墨烯片如何以及为什么可以提高对有毒化合物氨（NH3）的敏感性。这项研究是由同样来自千叶大学的岩上崇吾先生和屋久治先生共同撰写的

研究人员生产了石墨烯片，并在氩气（Ar）、氢气（H2）或氧气（O2）环境下对其进行了等离子体处理。这种处理使石墨烯“功能化”，这意味着它通过附着特定的化学基团并产生受控的缺陷来修饰石墨烯片的表面，作为NH3等气体分子的额外结合位点。处理后，研究人员采用了各种先进的光谱技术和理论计算，以阐明石墨烯片所经历的精确化学和结构变化

研究小组发现，等离子体处理过程中使用的气体导致石墨烯片上产生不同类型的缺陷。“O2等离子体处理诱导石墨烯氧化，产生石墨烯氧化物，而H2等离子体处理诱导氢化，产生石墨烷，”Ohba副教授解释道。“光谱分析表明，石墨烯氧化物具有碳空位型缺陷，石墨烷具有sp3型缺陷，Ar处理的石墨烯具有这两种类型的缺陷。”

为了澄清，sp3型缺损是一种结构变化，其中石墨烯中的碳原子从平面上的三个键转变为四面体排列中的四个键，通常是由于氢原子附着在表面上

有趣的是，将这些缺陷引入石墨烯片中大大提高了它们感测NH3的性能。由于NH3更容易与缺陷结合，而不是与原始石墨烯结合，因此当暴露于NH3时，功能化片材的电导率变化更为明显。这种特性可以在气体传感设备中用于检测和量化NH3的存在。特别是石墨氧化物，当暴露于NH3时，薄层电阻（电导率的倒数）的变化最大，这些变化高达30%

值得注意的是，该团队测试了功能化石墨烯片是否能够承受反复暴露于NH3而不会降低其气体传感性能。尽管观察到薄层电阻的一些不可逆变化，但一些显著变化是完全可逆和可循环的

Ohba副教授总结道：“结果表明，与原始石墨烯相比，用等离子体产生的贵金属材料对石墨烯结构进行功能化，具有更优的NH3气体传感性能。”

总体而言，这项研究是迈向下一代气体传感设备的重要垫脚石。Ohba副教授对他们的发现感到兴奋，他说：“由于石墨烯是最薄的具有透气性的片材之一，这项工作中开发的功能化石墨烯片材可用于日常可穿戴设备。因此，在未来，任何人都可以检测到周围环境中的有害气体。”希望这一领域的进一步工作将使这一愿景成为现实，并推动基于石墨烯的技术向前发展 More information: Sogo Iwakami et al, Graphene Functionalization by O₂, H₂, and Ar Plasma Treatments for Improved NH3 Gas Sensing, ACS Applied Materials & Interfaces (2024). DOI: 10.1021/acsami.4c17257

Journal information: ACS Applied Materials and Interfaces