综述荐读：石墨烯及其衍生物作为电阻型气体传感器的研究进展 | MDPI Chemosensors

文章导读

气体无处不在，对人类生活至关重要。然而，某些有害气体和挥发性有机化合物 (VOCs) 的排放会导致空气污染，进而影响人类健康。当前，由于工业排放和汽车尾气等因素，清洁空气的获取变得困难。因此，开发能够快速响应并稳定检测低量气体的传感器变得尤为重要。本篇由韩国汉阳大学和仁荷大学的Hyoun Woo Kim和Sang Sub Kim团队撰写并发表于 Chemosensors 期刊的综述，详细介绍了氮掺杂石墨烯 (N-Doped Graphene) 及其衍生物在电阻型气体传感器领域的应用研究进展。文章表明，石墨烯作为一种具有高比表面积的二维材料，因其在气体传感方面的潜力而备受关注，但纯净的石墨烯在气体传感性能上表现较弱，而氮掺杂作为一种有效的策略，通过引入带隙、产生缺陷以及增强石墨烯的导电性，显著提升了基于石墨烯的气体传感器的性能。本文不仅回顾了实验研究，还讨论了理论工作，特别是密度泛函理论 (DFT) 在氮掺杂石墨烯气体传感性能研究中的应用。

研究过程与结果

1. 电阻型气体传感器的发展

电阻型气体传感器因其低成本、易于操作、易于制造和测量、高响应性和高稳定性等优点而受到广泛欢迎。这类传感器通常由半导体金属氧化物制成，但它们处于纯形态时，通常需要在高温下工作以提供最佳性能，这限制了它们的应用范围。因此，研究者开始探索其他材料，如导电聚合物、碳基材料、MXenes和金属硫化物等，这些材料可以在较低或室温下工作，显著降低了传感器的功耗。

图为石墨烯的不同结构。

2. 石墨烯及其衍生物的特性

石墨烯是一种由单层碳原子以二维蜂窝状结构排列的材料，具有优异的导电性、机械性能和化学稳定性。然而，纯净的石墨烯由于缺乏带隙和水溶性差，限制了其在气体传感器领域的应用。通过氧化和还原过程，可以制备出石墨烯氧化物 (GO) 和还原氧化石墨烯 (rGO)，这些材料因具有更多的功能团和缺陷而在气体传感方面显示出潜力。为了解决这些问题，研究人员发展了多种改性方法，其中氮掺杂因其简单、高效而受到广泛关注。

3. 氮掺杂对石墨烯性能的影响

氮原子作为石墨烯的掺杂元素，可以取代部分碳原子形成替代掺杂，或以间隙方式进入石墨烯晶格形成间隙掺杂。氮掺杂可以引起石墨烯的电荷重新分布，打开带隙，从而调节其电子性质。此外，氮原子的引入还会产生缺陷和活性位点，增强石墨烯与气体分子的相互作用，提高传感性能。因此，氮掺杂是一种有效的改性手段，可以通过化学掺杂引入外来原子，如氮原子，来调整石墨烯的晶格结构。氮原子的引入不仅能够打开带隙，还能改变费米能级的位置，从而调节石墨烯的电导率。此外，氮掺杂还能在石墨烯中引入活性位点，增强其对气体分子的吸附能力。实验研究表明，氮掺杂石墨烯及其衍生物在气体传感方面表现出色。例如，氮掺杂石墨烯量子点 (GQDs) 与聚苯胺 (PANI) 复合物在乙醇传感方面显示出优异的性能。理论研究，尤其是基于第一性原理的DFT计算，为理解氮掺杂石墨烯的气体吸附机制、吸附能量、电荷转移以及气体吸附后的电子结构变化提供了深入的见解。

图为 (a) 氮掺杂GQD的电子显微镜图像；(b) 颗粒大小分布；(c) PANI和 (d) 氮掺杂GQD/PANI复合材料的电子显微镜图像。

3. 实验和理论研究进展

实验研究表明，氮掺杂石墨烯及其衍生物在气体传感方面展现出优异的性能。例如，氮掺杂石墨烯量子点 (N-GQDs) 与聚苯胺 (PANI) 复合物在乙醇传感方面表现出高灵敏度和快速响应。N-GQDs的引入不仅提高了传感器的比表面积，增加了气体吸附位点，还通过π-π相互作用增强了PANI的导电性。此外，氮掺杂还原氧化石墨烯 (rGO) 在NO₂和NH₃等有害气体检测中也显示出良好的性能。密度泛函理论 (Density Functional Theory, DFT) 作为一种第一性原理计算方法，在氮掺杂石墨烯的理论研究中发挥了重要作用。DFT计算揭示了氮掺杂石墨烯对CO、NO、O₂、NO₂等气体分子的吸附机制，预测了吸附能量、电荷转移和电子结构变化。研究表明，氮掺杂可以显著提高石墨烯对特定气体的吸附能力，改善其选择性。例如，N-G对CO的吸附能力显著增强，而对其他气体的吸附较弱，表现出良好的CO选择性。

图为SnO₂/ 氮掺杂rGO对NO₂气体的传感机理：(a) 在空气中接触；(b) 在NO₂中接触。

4. 氮掺杂石墨烯的合成方法及应用前景

氮掺杂石墨烯的合成方法多样，包括化学气相沉积 (CVD)、热解、溶热法、球磨、等离子体处理等。这些方法可以根据所需的掺杂水平、缺陷密度和石墨烯的形态进行优化。合成过程中，氮源的选择、掺杂温度和时间等参数对氮掺杂效果有重要影响。氮掺杂石墨烯在气体传感器领域的应用前景广阔。除了传统的电阻型气体传感器，氮掺杂石墨烯还可以应用于光电化学传感器、生物传感器、电化学传感器等。此外，氮掺杂石墨烯的高导电性和大比表面积使其在能源存储、催化、电子器件等领域也具有潜在应用价值。

研究总结

文章表明氮掺杂石墨烯及其衍生物作为电阻型气体传感器的研究取得了显著进展，氮掺杂不仅提高了石墨烯的电导率和引入了n型导电性，还通过调节带隙和产生活性位点增强了其气体传感性能。未来的研究应更多的关注于氮掺杂量的优化：探索最佳的氮掺杂水平，以实现最佳的传感性能；氮掺杂石墨烯的稳定性：研究氮掺杂石墨烯在长期应用中的稳定性和可靠性；新型氮掺杂石墨烯的合成方法：开发新的合成方法，以实现更高效率和更低成本的氮掺杂石墨烯生产；氮掺杂石墨烯的多功能集成：将氮掺杂石墨烯与其他材料或技术结合，开发多功能集成传感器；环境影响和实际应用测试：评估氮掺杂石墨烯传感器在实际环境条件下的性能，并考虑其环境影响和可持续性。作者表明随着材料科学和纳米技术的发展，氮掺杂石墨烯及其衍生物在气体传感器领域的应用将更加广泛，为环境监测和健康保护提供更加高效、灵敏的检测工具。

原文出自 Chemosensors 期刊

Mirzaei, A.; Bharath, S.P.; Kim, J.-Y.; Pawar, K.K.; Kim, H.W.; Kim, S.S. N-Doped Graphene and Its Derivatives as Resistive Gas Sensors: An Overview. Chemosensors 2023, 11, 334.

https://doi.org/10.3390/chemosensors11060334