NiO 功能化的石墨烯传感器可以改善氨检测

韩国首尔国立大学和韩国标准与科学研究院的研究人员开发出了一种由氧化镍（NiO）纳米粒子功能化的室温自激活石墨烯气体传感器，并展示了其在监测氨气的可穿戴设备中的应用。
该团队将 NiO 纳米粒子引入石墨烯微图案，制成了高选择性和高灵敏度的氨传感器，即使在可穿戴电子设备的苛刻条件下也能有效运行。这一进步代表着传感器技术的潜在进步，特别是对于食品质量监测和跟踪空气质量的可穿戴设备等应用。
这项研究解决了石墨烯作为气体传感器的固有局限性。石墨烯的原子结构使其具有很大的表面积，使其非常适合通过表面相互作用检测气体，但该团队解释说，同样的结构也限制了它区分不同气体分子的能力。之前的研究试图通过各种方法来提高石墨烯的选择性，包括等离子处理和添加铂和金等贵金属。然而，这些方法往往有明显的缺点，比如成本高、制造工艺复杂、在实际条件下性能不佳。
在这项研究中，研究人员选择了不同的策略，使用 NiO 纳米颗粒代替贵金属。过渡金属氧化物（如 NiO）由于其独特的电子特性和与特定气体分子强烈相互作用的能力，在气体传感方面具有多种优势。特别是氧化镍已被证明与氨分子具有很强的结合力，使其成为提高石墨烯选择性的理想候选材料。
传感器的制造过程涉及几个复杂的步骤，首先通过化学气相沉积 (CVD) 合成石墨烯，以创建高质量的石墨烯薄膜。将石墨烯转移到柔性聚合物基底后，研究人员使用光刻工艺创建微图案，然后用一层镍纳米颗粒薄膜覆盖微图案。这些纳米颗粒随后在称为自激活的过程中被氧化成氧化镍，其中通过石墨烯施加电压会产生热量，导致镍氧化成 NiO。
最终成果是一种透明、灵活且高效的气体传感器。该传感器最显著的特点之一是其超低功耗，这是可穿戴电子产品的关键要求。传统的基于金属氧化物的传感器通常需要外部加热器才能在高温下工作，这会增加其功耗。相比之下，NiO 功能化石墨烯传感器依赖于焦耳加热，其中通过石墨烯的电流产生足够的热量来增强其传感特性，而无需额外的耗能组件。
NiO 纳米粒子在传感器的运行中起着至关重要的作用。通过密度泛函理论 (DFT) 计算，研究人员能够证明氧化镍与氨分子有强烈的相互作用。具体来说，氨分子被吸引到 NiO 纳米粒子的顶点，那里可用的键数和局部电子结构使氨更容易粘附。这种相互作用导致石墨烯的电阻发生可测量的变化，这是传感器检测能力背后的基本原理。
这项研究最重要的成果之一是传感器的灵敏度。NiO 功能化石墨烯传感器可以检测到浓度低至 2.547 万亿分之一 (ppt) 的氨，这种灵敏度在气体传感器领域是前所未有的。这种极低的检测限为食品安全应用开辟了新的可能性，即使是微量的氨也能指示腐败的开始。传感器的高选择性还确保它主要对氨作出反应，而不会因氢气或一氧化碳等其他气体的存在而混淆。
从实际角度来看，研究人员展示了传感器实时监测牛肉腐败的能力。随着肉类的变质，它会释放出越来越多的氨。通过将传感器嵌入可穿戴设备中，研究人员能够持续监测氨水平，并在浓度超过特定阈值时触发警报，表明肉类不再安全食用。这种实时监控有可能有益于食品安全实践，使消费者和企业能够尽早发现腐败并预防食源性疾病。
此外，该传感器的灵活性和透明度使其适合集成到各种可穿戴电子设备中。在实验中，科学家对传感器进行了机械弯曲，模拟了可穿戴设备中可能遇到的情况。即使在压力下，传感器也能保持其性能，证明了其耐用性和长期使用的潜力。事实证明，该传感器在潮湿条件下也非常稳定，这比传统的金属氧化物传感器具有显著优势，因为传统的金属氧化物传感器在潮湿环境下性能通常会下降。
除了食品安全，这项技术对环境监测和医疗保健也有更广泛的影响。检测如此低浓度的氨的能力可以应用于跟踪城市环境中有害气体的空气质量传感器。它还可以用于医疗诊断，其中呼出的氨气水平可用作肾脏疾病或感染等疾病的生物标志物。
这项研究可能为开发下一代传感器打开大门，这种传感器不仅灵敏度更高、选择性更强，而且更适合日常使用。通过放弃贵金属，转而采用 NiO 等过渡金属氧化物，研究人员创造了一种既经济高效又可扩展的传感器，使其成为大规模生产的可行候选者。