用3D石墨烯形成有效的甲醛气体传感器

根据最近发表在《Nanotechnology》杂志上的一项研究，一组研究人员成功地生产了氧等离子体处理的3D石墨烯，以增加甲醛检测。

研究：基于富氧三维石墨烯的有效甲醛气体传感器。 图片来源：Egorov Artem/Shutterstock.com

三维（3D）石墨烯由于其大的高表面积和强烈的电导率，在化学传感应用中具有很大的前景。石墨烯上的吸附气体颗粒充当电子供体，导致电导增加。

一些问题，如延迟反应和延长的回收期，对于基于3D石墨烯的纳米传感器仍然存在。因此，研究工作继续集中在增加化学气体传感器的活性上。

什么是石墨烯？

石墨烯是一种二维（2D）材料，具有出色的电化学氧化还原特性。

高弹性模量和断裂压力，良好的导电性，优异的导热性，降低的接触阻抗，高柔韧性，大表面电荷以及最大的光学透明度和弹性是这些特性之一。

因此，石墨烯可用于创建高质量的轻质结构，药物和药物输送系统，半导体，电子元件，可穿戴电子和储能系统。

2D石墨烯的三维（3D）等效物由于其独特的3D纳米孔隙度结构和可能的表面改性而被广泛用于气体分子探测器。

石墨烯的优势和应用

与其他碳纳米结构相比，石墨烯具有很强的电导率和高电位表面积。

对于气体检测，石墨烯具有有希望的潜在用途。

气体吸附剂材料的各种浓度和结构以各种方式与三维石墨烯接触。由于弱范德华力将气体颗粒结合到石墨烯上，因此可以使用简单的电子系统测量石墨烯的阻抗。

与纳米材料相比，3D石墨烯由于其高质量的晶格而具有最小的电磁干扰，可以防止过多的电荷变化。此外，基于化学感受器的传感模式具有低成本设备、制造简单和即时检测的优点。

甲醛气体的危害

随着现代生活条件的改善，对气体测量的严格规定已经实施，并且更加重视污染预防，车辆排放和环境污染。

室内和汽车车辆排放物危害公众健康，并已成为一个全球性问题。

甲醛是当前危险气体中流行和良好的代表。它是一种半透明的可溶性刺激性气体，存在于墙纸等环氧树脂装饰材料中，不稳定。

长期暴露于较低水平可能会诱发人类哮喘，癌症和异常，而高水平的20至100 ppm对健康极为不利。

使用富含O2的石墨烯检测甲醛气体

因此，可靠的甲醛检测仪是一项紧迫的健康需求。一些甲醛检测器使用安培法，需要紫外线照射或蛋白质作为接收器，这些方法容易受到复合物形成的影响，因此具有较弱的长期耐久性或需要特定的可储存性。

传统的半导体探测器需要从外部进行高工作温度或紫外光刺激。

另一方面，石墨烯在低工作温度下具有高电导率，并且可以与半导体氧化物结合以增加表面积和电导率。

由于金属纳米颗粒提供的电子传输途径，石墨烯/金属氧化物复合材料可以提高甲醛传感器的精度。

在这项研究中，研究人员评估了3D石墨烯与各种处理的结构性能相关性。

他们使用三种方法来处理3D石墨烯，包括未经处理的HNO。₃去角质，和氧等离子体处理，并使用甲醛作为插图，以证明它们在化学感受器中的应用，用于传感应用。

研究结论与展望

研究人员用氧等离子体处理的3D石墨烯创造了化学感受器，并以甲醛为参考，表现出了强大的气体传感能力。

与非处理和 HNO 相比₃烧蚀，氧等离子体处理被证明是用胺基和醛电荷官能化石墨烯的最有效方法。

依靠氧等离子体处理的3D石墨烯的优越气体传感能力表明了拓扑交联。与纯3D石墨烯相比，反应时间缩短了34%，回收期缩短了38%。

此外，用氧等离子体预处理15分钟可产生最大的气体传感效率。这些发现可能会加速基于化学感受器的传感应用的研究。

参考

Zhang， S. et al. （2022）.一种基于富氧三维石墨烯的有效甲醛气体传感器。纳米技术。可预订地点： https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6528/ac4eb4