气体传感器在人身安全和环境监测方面发挥着至关重要的作用，但传统传感器往往在灵敏度和能效方面存在问题。为了应对这些挑战，日本的研究人员通过在不同条件下用等离子体处理石墨烯片，开发出了一种改进的气体传感技术。
通过等离子处理改变石墨烯的结构会产生碳空位和氧化位等缺陷。这些改性有利于吸附氨（NH3）等目标气体，从而使石墨烯在气体传感器中发挥更大作用。图片来源：千叶大学的 Tomonori Ohba
这种工艺引入了结构和化学缺陷，从而提高了对有毒气体氨（NH3）的检测能力。与原始石墨烯相比，功能化石墨烯片表现出了更出色的传感能力，有可能为日常使用的可穿戴气体检测设备铺平道路。
从确保家庭和工作场所的安全，到监测环境污染和工业流程，气体传感技术在现代生活中必不可少。传统的气体传感器虽然有效，但往往在灵敏度、响应时间和功耗方面受到限制。
为了克服这些限制，研究人员越来越多地转向碳纳米材料，尤其是石墨烯。这种用途广泛、成本低廉的材料在室温下具有极高的灵敏度，而且功耗极低，因此很有希望成为下一代气体检测系统的候选材料。
日本千叶大学理学研究院 Tomonori Ohba 副教授领导的研究小组探索了一种新方法，以进一步增强石墨烯的气体传感特性。
他们发表在《ACS 应用材料与界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）上的最新研究，探讨了不同气体的等离子处理如何影响石墨烯对氨的敏感性。
研究人员制作了石墨烯薄片，并将其置于氩气（Ar）、氢气（H2）和氧气（O2）环境中进行等离子处理。这一过程通过引入特定化学基团和可控缺陷对石墨烯进行 “功能化”，这些缺陷可作为 NH3 等气体分子的额外结合位点。利用先进的光谱技术和理论计算，研究小组分析了石墨烯薄片的精确化学和结构变化。
他们的研究结果表明，不同的等离子体处理会产生不同类型的缺陷。
O2 等离子体处理会导致石墨烯氧化，产生氧化石墨，而 H2 等离子体处理会导致氢化，产生石墨烯。光谱分析表明，氧化石墨烯具有碳空位型缺陷，石墨烷具有 sp3 型缺陷，而经过氩处理的石墨烯则同时具有这两种类型的缺陷。
千叶大学研究生院理学研究科副教授 Tomonori Ohba
要说明的是，sp3 型缺陷是一种结构变化，石墨烯中的碳原子从平面上的三个键转变为四面体排列的四个键，这通常是由于氢原子附着在表面上造成的。
令人惊讶的是，将这些缺陷插入石墨烯薄片后，它们感应 NH3 的性能大大提高。与纯石墨烯相比，NH3 更容易与缺陷结合，当暴露在 NH3 中时，功能化石墨烯片的导电性会发生显著变化。
这一特性可用于气体传感器，以检测和量化 NH3 的存在。暴露在 NH3 中时，石墨的薄片电阻（导电率的倒数）变化最大，增幅高达 30%。
值得注意的是，科学家们还研究了功能化石墨烯薄片是否能够承受反复暴露于 NH3 而不丧失气体感应能力。虽然发现了某些不可逆的片状电阻变化，但其他变化是完全可逆和可循环的。
Ohba总结道：”结果表明，与原始石墨烯相比，用等离子体对石墨烯结构进行功能化可生成具有更优越的NH3气体传感性能的惰性材料。
总之，这项研究是向下一代气体感应设备迈出的重要一步。
Ohba对他们的发现感到兴奋，他说：”由于石墨烯是具有气体渗透性的最薄薄片之一，这项工作中开发的功能化石墨烯薄片可用于日常可穿戴设备。因此，未来任何人都能检测到周围环境中的有害气体。
希望这一领域的进一步研究工作能将这一愿景变为现实，推动基于石墨烯的技术向前发展。
期刊参考：
Iwakami, S. et. al. (2025) Graphene Functionalization by O2, H2, and Ar Plasma Treatments for Improved NH3 Gas Sensing. ACS Applied Materials & Interfaces. doi.org/10.1021/acsami.4c17257
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