基于石墨烯-金屬硫化物納米復(fù)合材料的氣體傳感器

石墨烯因其對(duì)低濃度氣體的高敏感性而備受矚目，但選擇性較差限制了其在高性能氣體傳感器中的應(yīng)用。采用納米復(fù)合材料，即將不同的金屬硫化物與石墨烯或其衍生物相結(jié)合，是解決這一問題的理想方法。這類復(fù)合材料的開發(fā)，為實(shí)現(xiàn)具有更強(qiáng)檢測(cè)能力的氣體傳感器鋪平了道路，尤其是在提高氣體選擇性方面。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，國立臺(tái)北科技大學(xué)（National Taipei University of Technology）、印度拉夫里科技大學(xué)（Lovely Professional University）、北古吉拉特大學(xué)（Hemchandracharya North Gujarat University）等機(jī)構(gòu)的研究人員在Sensors International期刊上發(fā)表了題為“Graphene-metal sulfide composite based gas sensors for environmental sustainability: A review”的綜述文章，系統(tǒng)地描述了基于石墨烯-金屬硫化物納米復(fù)合材料的氣體傳感器及其在有害氣體檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展。

圖1 基于石墨烯-金屬硫化物復(fù)合材料的氣體傳感器用于檢測(cè)各種有害氣體的示意圖

氣體傳感用金屬硫化物的合成方法

氣體傳感用金屬硫化物的合成通常采用從“氧化物到硫化物”的轉(zhuǎn)變策略，包括電化學(xué)、微波輔助、水熱/溶劑熱、濕化學(xué)、球磨、CVD、靜電紡絲、沉淀、溶膠-凝膠和化學(xué)還原等多種方法。其中，水熱/溶劑熱法是制備金屬硫化物最常用的方法。

圖2 水熱法合成的In2O3/MoS2復(fù)合材料在乙醇?xì)怏w傳感中的應(yīng)用

基于石墨烯-金屬硫化物復(fù)合材料的氣體傳感器

材料合成技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了氣體傳感器性能的提升。研究表明，基于石墨烯及其衍生物與各種金屬硫化物的氣體傳感器，具有增強(qiáng)的傳感性能，這些金屬硫化物包括硫化鉬（MoS2）、硫化錫（SnS2）、硫化鎢（WS2）、硫化鎘（CdS）等。通過對(duì)各種性能參數(shù)的氣體傳感器進(jìn)行性能對(duì)比評(píng)估，結(jié)果顯示了基于石墨烯-金屬硫化物復(fù)合材料的氣體傳感器在有害氣體檢測(cè)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，其檢測(cè)限和濃度分別低至0.6 ppb和0.05 ppm。

圖3 基于石墨烯-金屬硫化物復(fù)合材料的氣體傳感器開發(fā)示意圖

（1）基于MoS2-石墨烯復(fù)合材料的氣體傳感器

MoS2-石墨烯復(fù)合材料充分利用了兩種成分的獨(dú)特性能，可高效檢測(cè)氣體。MoS2-石墨烯復(fù)合材料成分靈活，可精確定制以識(shí)別特定氣體，確保了其出色的選擇性和較低的交叉敏感性。這種復(fù)合材料的快速響應(yīng)和恢復(fù)特性使得實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變得更加簡易，其固有的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)耐久性也確保了氣體傳感器的長期使用壽命和可靠性。

圖4 利用MoS2-石墨烯復(fù)合材料開發(fā)的高性能NO2氣體傳感器

（2）基于SnS-石墨烯復(fù)合材料的氣體傳感器

SnS-石墨烯復(fù)合材料基于每種組成材料的獨(dú)特性能，在氣體傳感方面展現(xiàn)出顯著的協(xié)同優(yōu)勢(shì)。這種復(fù)合材料巧妙地結(jié)合了SnS的反應(yīng)性和石墨烯的化學(xué)穩(wěn)定性，形成了一個(gè)促進(jìn)電子傳輸和氣體吸附的界面，進(jìn)而顯著增強(qiáng)了氣體檢測(cè)的響應(yīng)性。SnS-石墨烯復(fù)合材料不僅能夠提升氣體傳感的靈敏度和選擇性，而且由于結(jié)合了石墨烯的機(jī)械柔韌性和SnS的機(jī)械強(qiáng)度，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和長期使用壽命。

圖5 基于SnS-還原氧化石墨烯復(fù)合材料開發(fā)的丙酮?dú)怏w傳感器

（3）基于WS2-石墨烯復(fù)合材料的氣體傳感器

在氣體傳感應(yīng)用中，石墨烯與WS2的結(jié)合也具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。這兩種材料之間的協(xié)同效應(yīng)發(fā)揮了每種材料的優(yōu)勢(shì)：石墨烯的高導(dǎo)電性能夠增強(qiáng)氣體傳感的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，WS2的優(yōu)異吸附能力能夠提高對(duì)特定氣體的選擇性?；赪S2-石墨烯復(fù)合材料的氣體傳感器能夠有效檢測(cè)和分辨低濃度氣體，并提供快速的響應(yīng)，展現(xiàn)出對(duì)氣體檢測(cè)技術(shù)革新的潛力。

圖6 利用WS2-石墨烯氣凝膠復(fù)合材料開展的NO2傳感研究

（4）基于CdS-石墨烯復(fù)合材料的氣體傳感器

CdS與石墨烯的協(xié)同組合可將二者的獨(dú)特性能深度結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)氣體傳感器的卓越性能。這種復(fù)合材料利用CdS和石墨烯與各種氣體的不同親和性，不僅顯著提升了靈敏度，還實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的選擇性。石墨烯的快速電子傳輸能力和CdS的快速吸收特性共同促進(jìn)了快速的響應(yīng)時(shí)間，并極大地提高了選擇性。此外，CdS與石墨烯的結(jié)合還確保了穩(wěn)定性和彈性，其中，石墨烯充當(dāng)了一道防護(hù)屏障，能有效抵御環(huán)境侵蝕，延長了氣體傳感器的使用壽命。

圖7 利用CdS/CdO-還原氧化石墨烯復(fù)合材料開展的NO2傳感研究

（5）基于其它金屬硫化物-石墨烯復(fù)合材料的氣體傳感器

在氣體傳感器研究方面，還有多項(xiàng)關(guān)于其它金屬硫化物-石墨烯復(fù)合材料的研究，包括硫化鋅（ZnS）、硫化鈷（CoS）和硫化鎳（NiS）等金屬硫化物。例如，Yu等人驗(yàn)證了基于ZnO@ZnS-石墨烯復(fù)合材料的氣體傳感器對(duì)乙醇具有出色的響應(yīng)。Chen等人利用ZnS/N-石墨烯復(fù)合材料成功開發(fā)出一種便攜式NO2傳感器，并驗(yàn)證了其有效性。

綜上所述，石墨烯-金屬硫化物納米復(fù)合材料在氣體傳感領(lǐng)域取得了快速的發(fā)展，開創(chuàng)了氣體傳感技術(shù)的新時(shí)代。這些先進(jìn)材料的集成有望徹底顛覆氣體檢測(cè)技術(shù)，為人類提供更清潔、更安全的環(huán)境。

審核編輯：劉清