气体传感器对个人安全和环境监测至关重要，但传统传感器在灵敏度和能量效率方面存在局限性。现在，研究人员通过在不同条件下用等离子体处理石墨烯片，开发了一种改进的气体传感技术，从而创造出结构和化学缺陷，增强氨的检测。这些功能化石墨烯片的传感性能优于原始石墨烯，可能为日常使用的可穿戴气体检测设备铺平道路。
气体传感技术在我们现代世界中发挥着至关重要的作用，从确保我们在家和工作场所的安全，到监测环境污染和工业过程。虽然传统气体传感器有效，但在灵敏度、响应时间和能耗方面往往面临限制。
为了解决这些缺陷，最近气体传感器的发展集中在碳纳米材料上，包括备受欢迎的石墨烯。该材料多才多艺且相对廉价，能够在室温下提供卓越的灵敏度，同时消耗极少的能量。因此，石墨烯有潜力彻底改变气体检测系统。
在这种背景下，来自日本千叶大学研究生院的副教授大场知纪带领的研究团队探索了进一步改善石墨烯传感特性的有前景的途径。正如他们在最新论文中所报告的，该论文发表在《ACS应用材料与界面》上，团队研究了不同气体处理的等离子体如何及为何可以增强氨（NH3）的灵敏度，这是一种有毒化合物。该研究于2024年12月26日在线发布，并于2025年1月8日发表在第17卷第1期中。该研究的共同作者还有来自千叶大学的岩上相和柳田俊也。
研究人员生产了石墨烯片，并在氩气（Ar）、氢气（H2）或氧气（O2）环境中对其进行了等离子体处理。这种处理使石墨烯“功能化”，即通过附加特定的化学基团和创建受控缺陷来改变石墨烯片的表面，为氨等气体分子提供额外的结合位点。处理后，研究人员采用多种先进的光谱技术和理论计算来阐明石墨烯片经历的精确化学和结构变化。
团队发现，等离子体处理过程中使用的气体导致了石墨烯片上不同类型缺陷的形成。“O2等离子体处理引起了石墨烯的氧化，生成了氧化石墨，而H2等离子体处理引起了氢化，生成了氢化石墨，”大场副教授解释道，“光谱分析表明氧化石墨具有碳空位类型的缺陷，氢化石墨具有sp3类型的缺陷，而氩处理的石墨烯同时具有这两种类型的缺陷。”为了澄清，sp3类型缺陷是指结构变化，石墨烯中的一个碳原子从在平面上有三个键位移动到在四面体排列中形成四个键，通常是由于氢原子附着在表面。
有趣的是，将这些缺陷引入石墨烯片极大地增强了其对NH3的传感性能。由于NH3更容易与缺陷结合而不是与原始石墨烯结合，因此功能化片在暴露于NH3时其电导率变化更加明显。这一特性可以用于气体传感器中，以检测和定量NH3的存在。尤其是，氧化石墨在暴露于NH3时显示出最大的片电阻变化（电导率的倒数）——这些变化高达30%。
值得注意的是，研究团队测试了功能化石墨烯片在重复暴露于NH3的情况下是否能够保持其气体传感性能。虽然观察到片电阻的一些不可逆变化，但一些显著的变化是完全可逆和可循环的。“结果显示，与原始石墨烯相比，通过等离子体功能化石墨烯结构生成了具有优越NH3气体传感性能的贵重材料，”大场副教授总结道。
总体而言，这项研究是朝着下一代气体传感设备的重要里程碑。对他们的发现感到兴奋的大场副教授表示：“由于石墨烯是可能的气体通透性最薄的片状材料，本研究中开发的功能化石墨烯片可以用于日常可穿戴设备。因此，未来任何人都能够检测到其周围的有害气体。”希望该领域的进一步研究能使这一愿景成为现实，并推动基于石墨烯的技术向前发展。
