Grapheenbladen wijzigen met plasma om betere gassensoren te produceren

Gasdetectietechnologieën spelen een cruciale rol in onze moderne wereld, van het waarborgen van onze veiligheid in huizen en werkplekken tot het monitoren van milieuvervuiling en industriële processen. Traditionele gassensoren, hoewel effectief, worden vaak geconfronteerd met beperkingen in hun gevoeligheid, responstijd en stroomverbruik.

Om deze nadelen te verklaren, hebben recente ontwikkelingen in gassensoren zich gericht op koolstofnanomaterialen, inclusief het immer populaire grafeen. Dit veelzijdige en relatief goedkope materiaal kan bij kamertemperatuur een uitzonderlijke gevoeligheid bieden en tegelijkertijd minimaal vermogen verbruikt. Graphene heeft dus het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in gasdetectiesystemen.

Tegen deze achtergrond onderzocht een onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Tomonori Ohba van de Graduate School of Science, Chiba University, Japan, een veelbelovende weg om de sensing -eigenschappen van Graphene nog verder te verbeteren.

Zoals gemeld in hun laatste artikel, dat was gepubliceerd in ACS -toegepaste materialen en interfaceshet team onderzocht hoe en waarom grafeenbladen behandeld door plasma met verschillende gassen kunnen leiden tot verbeterde gevoeligheid voor ammoniak (NH₃), een giftige verbinding. De studie werd co-auteur van de heer Sogo Iwakami en de heer Shunya Yakushiji, ook van de Chiba University.

De onderzoekers produceerden grafeenbladen en pasten een plasmabehandeling toe onder argon (AR), waterstof (h₂) of zuurstof (o₂) omgevingen. Deze behandeling “gefunctionaliseerd” grafeen, wat betekent dat het het oppervlak van de grafeenbladen heeft gemodificeerd door specifieke chemische groepen te bevestigen en gecontroleerde defecten te creëren, als aanvullende bindingsplaatsen voor gasmoleculen zoals NH₃. Na de behandeling gebruikten de onderzoekers een verscheidenheid aan geavanceerde spectroscopische technieken en theoretische berekeningen om licht te werpen op de precieze chemische en structurele veranderingen die de grafeenbladen ondergingen.

Het team ontdekte dat het gas dat werd gebruikt tijdens plasmabehandeling leidde tot het maken van verschillende soorten defecten op de grafeenplaten. “De O₂ Plasma -behandeling induceerde oxidatie van het grafeen, produceerde grafoxide, terwijl de H₂ Plasma-behandeling geïnduceerde hydrogenering, producerende grafaan, “legt Assoc. Prof. ohba uit.” Spectroscopische analyse suggereerde dat grafoxide koolstof-vacature-type defecten had, grafaan had SP³-type defecten en AR-behandeld grafeen hadden beide soorten defecten. “

Om te verduidelijken, een SP³-type defect is een structurele verandering waarbij een koolstofatoom in grafeen verschuift van het hebben van drie bindingen in een plat vlak naar het vormen van vier bindingen in een tetraëdrische opstelling, vaak als gevolg van waterstofatomen die zich aan het oppervlak hechten.

Interessant is dat de introductie van deze defecten in de grafeenbladen hun prestaties voor het detecteren van NH aanzienlijk heeft verbeterd₃. Sinds NH₃ Bindt gemakkelijker aan defecten in plaats van ongerept grafeen, de elektrische geleidbaarheid van gefunctionaliseerde vellen veranderde merkbaarder bij blootstelling aan NH₃. Deze eigenschap kan worden gebruikt in gasdetels om de aanwezigheid van NH te detecteren en te kwantificeren₃. Met name grafoxide vertoonde de grootste veranderingen in plaatweerstand (het omgekeerde van de geleidbaarheid) wanneer het werd blootgesteld aan NH₃– Deze veranderingen waren zo hoog als 30%.

Het vermelden waard, het team testte of gefunctionaliseerde grafeenbladen herhaalde blootstelling aan NH konden weerstaan₃ zonder hun gasgevoelige prestaties te vernederen. Hoewel sommige onomkeerbare veranderingen in bladresistentie werden waargenomen, waren sommige significante veranderingen volledig omkeerbaar en cyclebaar.

“De resultaten toonden aan dat functionaliserende grafeenstructuren met plasma edelmaterialen gegenereerd met een superieure NH₃ Gasgevoelige prestaties vergeleken met ongerepte grafeen, “concludeert Assoc. Prof. Ohba.

Over het algemeen dient deze studie als een belangrijke opstap in de volgende generatie gasdetectieapparaten. Enthousiast over hun bevindingen, Assoc. Prof. Ohba merkt op: “Aangezien grafeen een van de dunst mogelijke vellen is met gasdoorlaatbaarheid, kunnen de gefunctionaliseerde grafeenbladen die in dit werk zijn ontwikkeld, worden gebruikt in dagelijkse draagbare apparaten. Dus in de toekomst zou iedereen schadelijke gassen kunnen detecteren in hun omgeving.” Hopelijk maakt verder werk op dit gebied deze visie een realiteit en pushen op grafeen gebaseerde technologie vooruit.