快来围观气体检测的新手段——功能化石墨烯材料

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化学改性石墨烯材料及气体检测

石墨烯材料优秀的气体检测能力主要在于其能经受各种物理化学的环境变化，因此为了保持其电性能，同时要易于对其表面结构和化学性质进行调控，原子掺杂、分子浸渍和化学功能化等手段被大量用来开发高性能的石墨烯功能化气体传感器。石墨烯材料的杂原子掺杂，如N、S、P、B等，目前已经进行了大量的研究应用。杂原子掺杂使石墨烯表面活性点位增加，从而提高了目标气体分子吸附量，以致其光电性质产生了更加明显的变化。有研究人员通过对氧化石墨烯(GO)和三苯基磷的混合物进行高温退火处理，制备了P掺杂石墨烯高灵敏NH3传感器。由于NH3分子与P原子的相互作用，P掺杂石墨烯传感器具有更高的灵敏度、更短的响应和恢复时间。另有研究人员用液体前驱物大面积制备了高质量的B掺杂石墨烯气体传感器，研究发现其对NO2和NH3不但具有良好的信噪比，而且相比P掺杂石墨烯传感器灵敏度分别提高了27和105倍。

金属纳米颗粒-石墨烯修饰材料及气体检测

金属和金属氧化物颗粒功能化的石墨烯，由于相互协同效应作用对混合材料电子性质的调节，成为潜力较大的增强气体灵敏度和选择性的传感材料。有研究人员开发了Pt等贵金属修饰的石墨烯气体传感器，发现在对空气中H2(含量为4%，wt，质量分数，下同)进行检测时，Pt-石墨烯传感器比Pt-多壁碳纳米管传感器在灵敏度方面提高了２个数量级。另有研究人员研究了纳米Pd颗粒修饰石墨烯传感器在室温下对H2的传感特性，发现更低功函数氢化钯的形成增加了电子从Pd向石墨烯的转移，从而展现出更加灵敏的阻抗变化。还有研究人员使用Pd修饰石墨烯传感器实现了对H2 的检测，由于H2分子快速吸脱附，该传感器在1000×10-6浓度H2下90%的响应时间为60s，同时在N2环境中80%的恢复时间为90s。另有研究者采用交流双电泳方法开发的Pd修饰rGO 实现了对NO 气体的高灵敏检测，在室温下检测范围为2×10-9 ~420×10-9，在检出下限时恢复时间约为1000s。采用蚀刻印刷技术，科学家制备了Ag纳米颗粒修饰的磺酸化石墨烯，在50×10-6浓度NO2气体中室温下74.6%的响应时间为12s，恢复时间为20s，同时由于该材料机械强度高和质量轻等特点而有望实现对NO2的在线监测。

聚合物-石墨烯复合材料及气体检测

自从发现碳纳米管和导电聚苯胺(PANI)能提高气体传感性能后，聚合物-石墨烯气体传感材料得到了大量研究。Huang等用PANI修饰的rGO气体传感器对NH3进行检测，发现相对于单独石墨烯和PANI传感器，在NH3浓度50×10-6时灵敏度分别提高了10.4 和3.5倍，rGO片和PANI纳米粒子间的联合作用提高了传感器的灵敏度、选择性和稳定性。Parmar等在不同温度下比较了PANI和PANIＧ石墨烯薄膜对甲苯分子的传感性能，发现在50℃下PANIＧ石墨烯薄膜整体显示出了更短的响应时间和更快的恢复能力。利用石墨烯和聚3-己基噻吩混合材料优异的表面形貌和电子π-π堆积作用，Ye等实现了对NH3的检测，相比单独石墨烯材料的灵敏度提高了约30%，响应时间减少了75%，恢复时间缩短了20%。Xie等制备了聚３-己基噻吩-石墨烯气体传感器，利用石墨烯二维材料比表面积大、石墨化碳原子对NO2分子的吸附特点以及聚３-己基噻吩膜对NH3、SO2、CO、CO2和H2S分子的选择性过滤，实现了NO2高灵敏度检测。