石墨烯传感器可在室温下检测氨气

最近，研究人员在《传感器》（Sensors）杂志上发表了一篇文章，全面介绍了利用聚苯胺涂层激光诱导石墨烯（PANI@LIG）开发的气体传感器，用于室温下氨气（NH3）的检测。该研究旨在提高气体传感器的灵敏度和选择性，解决现有技术的局限性。

背景介绍

多年来，气体传感器得到了长足的发展，各种材料的传感能力也在不断探索之中。其中，导电聚合物和碳基材料因其独特的性能而备受关注。激光诱导石墨烯（LIG）具有高表面积、多孔性和导电性，是气体传感应用的理想候选材料。

当与导电聚合物聚苯胺结合时，产生的复合材料（PANI@LIG）显示出更强的气体传感性能。以往的研究表明，LIG 可有效检测多种气体，包括氮氧化物和挥发性有机化合物。然而，利用基于 LIG 的传感器对氨气进行特定检测的研究还较少，这就凸显了在这一领域开展进一步研究的必要性。

当前研究

评估气体传感器性能的实验装置包括一系列明确规定的程序。使用布琅轲锶特控制器蒸发器混合器在受控的潮湿环境中鉴定气体传感性能，该混合器与气体混合系统集成在一起。温度和湿度传感器（SHT85，SENSIRION 公司）被放置在腔室出口处，以便在测量过程中监测环境条件。气体传感器针对各种还原性气体（包括一氧化碳、氢气、乙醇和芳香族挥发性有机化合物）以及作为氧化性气体的二氧化氮进行了测试。

使用多种技术对材料进行了表征。使用雷尼绍 InVia 共焦拉曼光谱仪进行了拉曼光谱分析，以分析材料的分子结构。使用 Scios 2 DualBeam 场发射扫描电子显微镜（FESEM）分析了 PANI@LIG 复合材料的表面形态，从而捕捉到其结构特征的高分辨率图像。此外，还利用红外光谱和 X 射线光电子能谱 (XPS) 对材料进行了进一步表征。

在气体传感实验中，制备好的 PANI@LIG 传感器被放置在一个密封的特氟隆腔体中，以防止暴露在环境湿度中。密封舱可容纳四个传感器，以便同时进行测量。在数据采集系统的帮助下，以 0.2 Hz 的采样率测量了传感器的电阻。

使用质量流量控制器系统将气体浓度输送到腔室中，确保对气体流速的精确控制。传感器最初在干燥空气中保持稳定，然后循环暴露于浓度从 5 到 100 ppm 不等的氨气中，以评估其响应和恢复时间。

结果与讨论

结果表明，PANI@LIG 气体传感器对氨气非常敏感，在浓度低至百万分之 5 时就能观察到明显的反应。传感器的响应时间约为 18.0 分钟，恢复时间为 51.0 分钟。这些时间对于实时监测应用来说是足够的，尤其是测试的浓度低于欧洲化学品管理局规定的短期接触限值。

研究还强调了传感器选择性的重要性。与其他测试气体相比，PANI@LIG 复合材料对氨气的反应明显，这表明它具有检测特定气体的潜力。气体传感器性能的增强可归功于 PANI@LIG 复合材料独特的结构和形态特征。LIG 的多孔网络与聚苯胺的导电性能相结合，为气体吸附和相互作用创造了有利环境，从而提高了灵敏度。

此外，还对气体传感器的长期稳定性进行了评估，结果显示该传感器在较长时间内性能始终如一。这种稳定性对实际应用至关重要，因为它可以确保可靠的监测，而无需频繁地重新校准或更换。研究结果表明，PANI@LIG 气体传感器可以有效地应用于各种场合，包括工业环境、农业监测和环境评估。

结论

总之，本研究成功地展示了一种基于聚苯胺涂层激光诱导石墨烯的新型气体传感器的开发过程，该传感器可在室温下检测氨气。PANI@LIG 复合材料表现出显著的灵敏度和选择性，使其成为实时气体传感应用的理想候选材料。这项研究凸显了将导电聚合物与先进碳基材料相结合以提高气体传感器性能的潜力。

未来的工作重点可能是优化传感器设计并探索其在不同环境中的适用性，从而进一步推动气体传感技术的发展。研究结果强调了在气体传感器领域持续创新的重要性，尤其是在监测氨气等对健康和环境构成风险的有害气体方面。

期刊参考