等离子体改性石墨烯：下一代高性能气体传感器的突破

气体传感技术是环境监测、工业安全及智能家居的核心支撑，但传统传感器在灵敏度、响应速度和能耗方面存在瓶颈。近日，日本千叶大学研究团队在《ACS应用材料与界面》期刊发表突破性成果：通过等离子体处理石墨烯，成功构建了高灵敏度氨气（NH₃）传感器，为可穿戴气体检测设备铺平道路。

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研究背景：传统传感器的瓶颈与石墨烯的潜力

气体传感器是个人安全和环境监测的核心工具，但其灵敏度和能效问题亟待突破。近年来，碳纳米材料（尤其是石墨烯）成为研究热点。这种多功能且成本相对低廉的材料可在室温下实现高灵敏度检测，且功耗极低，有望革新气体检测系统。

在此背景下，日本千叶大学理学研究科的大场智典（Tomonori Ohba）副教授团队探索了进一步提升石墨烯传感性能的新途径。其最新研究成果发表于《美国化学学会应用材料与界面》（ACS Applied Materials & Interfaces），聚焦不同气体等离子体处理如何通过调控石墨烯缺陷，增强对有毒气体氨气（NH₃）的检测能力。

研究方法：等离子体处理构建缺陷位点

研究团队制备了石墨烯片，并在氩气（Ar）、氢气（H₂）或氧气（O₂）环境中对其进行等离子体处理。这种处理使石墨烯 “功能化”：通过附着特定化学基团并可控制造缺陷，为 NH₃等气体分子提供额外结合位点。处理后，团队利用先进光谱技术和理论计算，解析了石墨烯片发生的精确化学和结构变化。

结果显示，不同气体等离子体处理会诱导不同类型的缺陷：

O₂等离子体引发石墨烯氧化，生成 “氧化石墨烯”（graphoxide），产生碳空位型缺陷；

H₂等离子体引发氢化反应，生成 “氢化石墨烯”（graphane），形成 sp3 型缺陷（碳原子从平面三键结构转变为四面体四键结构，通常因氢原子附着所致）；

Ar 等离子体处理则同时产生上述两种缺陷。

关键发现：缺陷增强氨气检测性能

引入缺陷的石墨烯片对 NH₃的传感性能显著提升。由于 NH₃更易与缺陷结合，功能化石墨烯的电导率在接触 NH₃时变化更显著，可用于检测和量化气体存在。其中，氧化石墨烯在暴露于 NH₃时的薄层电阻变化（电导率的倒数）高达 30%，表现最为突出。

研究团队还测试了功能化石墨烯片在反复暴露于 NH₃后的稳定性。尽管观察到部分不可逆电阻变化，但关键性能仍可完全可逆循环。大场副教授总结道：“结果表明，等离子体处理生成的功能化石墨烯结构在 NH₃气体传感性能上优于原始石墨烯。”

研究意义：迈向可穿戴气体检测设备

这项研究为下一代气体传感设备奠定了重要基础。大场副教授表示：“石墨烯是已知最薄的透气材料之一，本研究开发的功能化石墨烯片有望应用于日常可穿戴设备。未来，任何人都能检测周围的有害气体。” 随着该领域研究的深入，基于石墨烯的传感技术或将更快融入日常生活，推动环境与安全监测的便携化与智能化。

研究者简介

大场智典副教授任职于日本千叶大学理学研究科化学系，担任大场研究组主任。其研究领域为物理化学，致力于通过先进理论与实验方法，阐明纳米分子层面的化学现象。他还探索纳米空间对分子运动的调控、分子行为研究及新分子反应性发现，研究成果发表于众多权威期刊，引用次数超过 5000 次。

论文信息

标题：Plasma-Induced Defect Engineering in Graphene for Ultrasensitive Ammonia Detection

期刊：ACS Applied Materials & Interfaces (IF 10.383)

DOI：10.1021/acsami.4c18921

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