硼掺杂石墨烯传感器 可**空气中的氨气 氮氧化物等有毒气体
硼掺杂石墨烯传感器 可**空气中的氨气 氮氧化物等有毒气体
神奇的石墨烯材料由强力束缚的碳原子二维点阵构成。具有良好的强度并且可以接近光速的速度传输电子。石墨烯还可以被用作极其敏感的气体传感器。
硼掺杂石墨烯传感器 可**空气中的氨气 氮氧化物等有毒气体
通过把硼掺杂到石墨烯二维晶格中，极低浓度的有毒气体分子可被检测到。
到目前为止，两种气体-氨气和氮氧化物已经过测试。氨气主要危害健康，而由汽车尾气排放氮氧化物是危害性的大气污染物。
氮氧化物气体分子可在十亿分之几的低浓度条件下被发现，氨气分子可在百万分之一的浓度下被检测。
与纯石墨烯的检测灵敏度相比，硼掺杂石墨烯传感器对氨气的敏感性高于其10000倍，对氮氧化物的敏感性高于其27倍。
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这项研究由来自六个不同国家的科学家合作完成。
据研究小组介绍，这项研究将为能够感应其他微量气体分子的先进高性能传感器铺平道路。
“这是我们在过去四年一直研究的项目。之前，我们能够利用氮原子掺杂石墨烯，但硼掺杂被证明是更加困难的。一旦能够合成所认为的硼石墨烯，我们会与美国和世界各地的专家合作来确认我们的研究并测试材料的性质，”宾夕法尼亚州立大学Mauricio Terrones教授说。
在元素周期表中，氮和硼与碳相邻，它们具有相似的原子半径。这使得用氮和硼替代碳原子成为可能。然而，硼化合物具有高度活性，意味着它们对空气敏感并迅速分解。
为了克服这个问题，一个独特的化学气相沉积系统用来制备尺寸为1平方厘米的片。形成了高质量大型硼原子掺杂石墨烯片。
硼掺杂石墨烯传感器 可**空气中的氨气 氮氧化物等有毒气体
硼石墨烯样品与已有的超灵敏气体传感器相近。该传感器的传输机理在英国曼彻斯特大学康斯坦丁·诺沃肖洛夫实验室进行研究。诺沃肖洛夫因其在石墨烯领域的工作而赢得了2010年诺贝尔物理学奖。
比利时和美国基础理论研究人员比较了硼掺杂石墨烯的实验图像和扫描隧道显微镜图像。硼原子与氮氧化物或氨气分子作用的效果也被证实。这项研究还包括来自日本和中国的研究人员。
“这项多学科研究为进一步探索超灵敏的气体传感器开辟了新的途径。在实验室开发传感器的设计方面，我们的方法结合了*新纳米材料与连续紫外线辐射技术。我们相信这项技术未来的发展可能会突破一千万亿分之一的检测极限水平，该数值比当前*先进的传感器灵敏度高出6个数量级，”美国本田研究所AvetikHarutyunyan说。
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使用氨气工业和实验室可受益于这种超灵敏传感器。传感器可以用于检测易燃或有毒气体，而且还可以帮助开发出更好的场效应晶体管和锂离子电池。
这项研究由中国国家自然科学基金、美国本田研究所、美国空军科学研究办公室多学科大学研究奖、欧洲的石墨烯 Flagship、宾夕法尼亚州材料研究所和纳米科学中心及国家科学基金会MRSEC支持。
这项研究结果已被发表在美国国家科学院院刊上。
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