通过等离子体处理改变石墨烯结构，可制造出更好的气体传感器

来源:千叶大学 2025/3/7

通过等离子体处理改变石墨烯的结构会产生缺陷，比如碳空位和氧化位点。这些改变能够让石墨烯在气体传感器领域发挥更大的作用，因为它们有助于吸附目标气体，如氨气（）。图片来源：千叶大学大场智典

在现代社会中，气体传感技术至关重要，它不仅保障了我们在家居和工作场所的安全，还在环境污染监测和工业生产过程监控中发挥着重要作用。传统的气体传感器虽然有效，但在灵敏度、响应时间和功耗方面常常存在局限。

为了克服这些缺点，近期气体传感器的研究重点转向了碳纳米材料，其中备受瞩目的就是石墨烯。这种材料用途广泛且成本相对较低，能够在室温下实现超高灵敏度，同时功耗极低。因此，石墨烯有望彻底革新气体检测系统。

在这样的背景下，由日本千叶大学理学研究生院的大场智典副教授带领的研究团队，探索出了一条极具前景的途径，能够进一步提升石墨烯的传感性能。

正如他们发表在《美国化学会应用材料与界面》杂志上的最新论文所述，该团队研究了用不同气体的等离子体处理石墨烯薄片，是如何以及为何能提高对有毒化合物氨气（）的检测灵敏度。来自千叶大学的岩上崇吾先生和薬司俊也先生共同参与了这项研究并撰写了论文。

研究人员制备了石墨烯薄片，并在氩气（）、氢气（）或氧气（）环境下对其进行等离子体处理。这种处理使石墨烯 “功能化”，也就是说，它通过附着特定的化学基团修饰了石墨烯薄片的表面，并产生了可控的缺陷，这些缺陷成为了像这样的气体分子的额外结合位点。处理后，研究人员运用了多种先进的光谱技术和理论计算方法，来深入了解石墨烯薄片所经历的精确化学和结构变化。

研究团队发现，等离子体处理过程中使用的气体，会在石墨烯薄片上产生不同类型的缺陷。大场副教授解释道：“等离子体处理会使石墨烯发生氧化，生成氧化石墨烯；而等离子体处理则会引发氢化反应，生成石墨烷。光谱分析表明，氧化石墨烯含有碳空位型缺陷，石墨烷含有型缺陷，而经过处理的石墨烯则同时含有这两种缺陷。”

需要说明的是，型缺陷是一种结构变化，在这种变化中，石墨烯中的碳原子从在平面上形成三个键，转变为以四面体结构形成四个键，这通常是由于氢原子附着在表面所致。

有趣的是，在石墨烯薄片中引入这些缺陷，极大地提高了其对的传感性能。由于更容易与缺陷结合，而不是与原始的石墨烯结合，因此功能化后的石墨烯薄片在接触时，其电导率变化更为明显。这一特性可应用于气体传感设备中，以检测和量化的存在。特别是氧化石墨烯，在接触时，其薄片电阻（电导率的倒数）变化最为显著，变化幅度高达 30%。

值得一提的是，该团队还测试了功能化石墨烯薄片在反复接触后，其气敏性能是否会下降。虽然观察到薄片电阻存在一些不可逆的变化，但也有一些显著变化是完全可逆且可循环的。

大场副教授总结道：“结果表明，与原始石墨烯相比，通过等离子体对石墨烯结构进行功能化处理，能制备出对气体传感性能更优越的材料。”

总体而言，这项研究为下一代气体传感设备的发展奠定了重要基础。大场副教授对他们的研究成果感到十分兴奋，并表示：“由于石墨烯是已知的最薄且具有气体渗透性的材料之一，这项研究中开发的功能化石墨烯薄片可应用于日常可穿戴设备。因此，在未来，任何人都能够检测周围环境中的有害气体。” 希望该领域的进一步研究能够将这一设想变为现实，推动石墨烯基技术的发展。

更多信息：岩上崇吾等人，《通过、和等离子体处理对石墨烯进行功能化，以改善气体传感性能》，《美国化学会应用材料与界面》（2024 年）。DOI: 10.1021/acsami.4c17257