硼摻雜石墨烯傳感器 可**空氣中的氨氣 氮氧化物等有毒氣體

神奇的石墨烯材料由強力束縛的碳原子二維點陣構(gòu)成。具有良好的強度并且可以接近光速的速度傳輸電子。石墨烯還可以被用作極其敏感的氣體傳感器。

硼摻雜石墨烯傳感器 可**空氣中的氨氣 氮氧化物等有毒氣體

通過把硼摻雜到石墨烯二維晶格中，極低濃度的有毒氣體分子可被檢測到。

到目前為止，兩種氣體-氨氣和氮氧化物已經(jīng)過測試。氨氣主要危害健康，而由汽車尾氣排放氮氧化物是危害性的大氣污染物。

氮氧化物氣體分子可在十億分之幾的低濃度條件下被發(fā)現(xiàn)，氨氣分子可在百萬分之一的濃度下被檢測。

與純石墨烯的檢測靈敏度相比，硼摻雜石墨烯傳感器對氨氣的敏感性高于其10000倍，對氮氧化物的敏感性高于其27倍。

硼摻雜石墨烯傳感器 可**空氣中的氨氣 氮氧化物等有毒氣體

這項研究由來自六個不同國家的科學(xué)家合作完成。

據(jù)研究小組介紹，這項研究將為能夠感應(yīng)其他微量氣體分子的先進(jìn)高性能傳感器鋪平道路。

“這是我們在過去四年一直研究的項目。之前，我們能夠利用氮原子摻雜石墨烯，但硼摻雜被證明是更加困難的。一旦能夠合成所認(rèn)為的硼石墨烯，我們會與美國和世界各地的專家合作來確認(rèn)我們的研究并測試材料的性質(zhì)，”賓夕法尼亞州立大學(xué)Mauricio Terrones教授說。

在元素周期表中，氮和硼與碳相鄰，它們具有相似的原子半徑。這使得用氮和硼替代碳原子成為可能。然而，硼化合物具有高度活性，意味著它們對空氣敏感并迅速分解。

為了克服這個問題，一個獨特的化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)用來制備尺寸為1平方厘米的片。形成了高質(zhì)量大型硼原子摻雜石墨烯片。

硼摻雜石墨烯傳感器 可**空氣中的氨氣 氮氧化物等有毒氣體

硼石墨烯樣品與已有的超靈敏氣體傳感器相近。該傳感器的傳輸機理在英國曼徹斯特大學(xué)康斯坦丁·諾沃肖洛夫?qū)嶒炇疫M(jìn)行研究。諾沃肖洛夫因其在石墨烯領(lǐng)域的工作而贏得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎。

比利時和美國基礎(chǔ)理論研究人員比較了硼摻雜石墨烯的實驗圖像和掃描隧道顯微鏡圖像。硼原子與氮氧化物或氨氣分子作用的效果也被證實。這項研究還包括來自日本和中國的研究人員。

“這項多學(xué)科研究為進(jìn)一步探索超靈敏的氣體傳感器開辟了新的途徑。在實驗室開發(fā)傳感器的設(shè)計方面，我們的方法結(jié)合了*新納米材料與連續(xù)紫外線輻射技術(shù)。我們相信這項技術(shù)未來的發(fā)展可能會突破一千萬億分之一的檢測極限水平，該數(shù)值比當(dāng)前*先進(jìn)的傳感器靈敏度高出6個數(shù)量級，”美國本田研究所AvetikHarutyunyan說。

硼摻雜石墨烯傳感器 可**空氣中的氨氣 氮氧化物等有毒氣體

使用氨氣工業(yè)和實驗室可受益于這種超靈敏傳感器。傳感器可以用于檢測易燃或有毒氣體，而且還可以幫助開發(fā)出更好的場效應(yīng)晶體管和鋰離子電池。

這項研究由中國國家自然科學(xué)基金、美國本田研究所、美國空軍科學(xué)研究辦公室多學(xué)科大學(xué)研究獎、歐洲的石墨烯 Flagship、賓夕法尼亞州材料研究所和納米科學(xué)中心及國家科學(xué)基金會MRSEC支持。

這項研究結(jié)果已被發(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊上。

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