Плазма, графен и газ: как ученые улучшили чувствительность датчиков
Технологии обнаружения газов сегодня важны как никогда: они помогают обеспечивать безопасность дома и на работе, контролировать загрязнение воздуха и улучшать промышленные процессы.
Обычные датчики газа работают хорошо, но у них есть проблемы: они не всегда достаточно чувствительны, медленно реагируют и потребляют много энергии.
Чтобы решить эти проблемы, ученые обратили внимание на углеродные наноматериалы, особенно на графен. Этот материал дешевый, универсальный и очень чувствительный к газам даже при комнатной температуре, при этом он почти не тратит энергию. Графен может полностью изменить то, как мы обнаруживаем газы.
Группа ученых из Университета Чиба в Японии под руководством доцента Томонори Охба решила улучшить свойства графена для обнаружения газов. В своей статье, опубликованной в журнале ACS Applied Materials & Interfaces, они рассказали, как обработка графена плазмой с разными газами повышает его чувствительность к аммиаку (NH3) — токсичному газу. Исследование вышло онлайн 26 декабря 2024 года, а в печати — 8 января 2025 года.
Ученые сделали графеновые листы и обработали их плазмой с аргоном (Ar), водородом (H2) или кислородом (O2). Это изменило поверхность графена, добавив на нее химические группы и создав дефекты, которые помогают лучше улавливать молекулы газа, например, аммиака. После обработки ученые изучили, как именно изменились графеновые листы.
Оказалось, что разные газы создают разные дефекты на графене.
Обработка кислородом превращает графен в графоксид, а водородом — в графан, — объясняет Томонори Охба.
Графоксид имеет дефекты в виде пустот, а графан — в виде измененных связей между атомами углерода. Графен, обработанный аргоном, имеет оба типа дефектов.
Эти дефекты сделали графен более чувствительным к аммиаку. Молекулы NH3 лучше прилипают к дефектам, чем к чистому графену, поэтому электропроводность листов менялась сильнее при контакте с газом. Это можно использовать в датчиках для обнаружения аммиака. Графоксид показал лучшие результаты: его сопротивление менялось на 30% при контакте с NH3.
Ученые также проверили, как графеновые листы ведут себя при многократном контакте с аммиаком. Некоторые изменения в сопротивлении оказались необратимыми, но большинство — обратимыми.
Функционализация графена плазмой сделала его гораздо более чувствительным к газам, чем чистый графен, — говорит Охба.
Это исследование — важный шаг к созданию новых датчиков газа.
Графен — очень тонкий и газопроницаемый материал, поэтому его можно использовать в носимых устройствах, — добавляет Охба. — В будущем каждый сможет легко обнаруживать вредные газы вокруг себя.
Ранее ученые сообщили о попытках выращивать графен без швов.
