Загрязнение воздуха становится все более важной глобальной проблемой. Токсичные газы, такие как аммиак, диоксид азота и летучие органические соединения, такие как фенол, являются очень распространенными загрязнителями воздуха.
На сегодняшний день предложены различные методы обнаружения этих токсичных газов. Исследователи изо всех сил стараются создать датчики с самым низким пределом обнаружения, самой высокой чувствительностью и лучшей селективностью.
Как двумерный материал, графен очень чувствителен ко многим газам, поэтому его можно использовать для газовых датчиков.
Недавние исследования показали, что графен с трехмерной структурой может повысить чувствительность датчиков к газам. Предел обнаружения датчиков токсичных газов может быть повышен с уровня ppm до уровня нескольких ppb.
Опасность токсичных газов
Существует огромный спрос на разработку простых и надежных датчиков газа. Во многих областях, таких как сельское хозяйство, медицинская диагностика и промышленные отходы, особенно при мониторинге окружающей среды, необходимо обнаруживать NOx (особенно NO2), аммиак (NH3) и летучие органические соединения из-за их возможная токсичность и связанные с этим риски для экосистемы.
Во многих странах загрязнение воздуха является серьезной экологической проблемой, вызванной быстрой индустриализацией. Большое количество NO2 ежегодно выбрасывается в окружающую среду в результате промышленных сжиганий и автомобильных выбросов.
Поэтому обнаружение NO2 вызвало всеобщее беспокойство, поскольку он вреден для растений и дыхательных систем людей и животных. Кроме того, NO2 может вызывать кислотные дожди и фотохимический смог.
NO2 определяется как типичный загрязнитель воздуха, а предел воздействия составляет всего 53 ppb.
Аммиак (NH3) также является распространенным опасным загрязнителем воздуха, который образуется в результате промышленного процесса, сельскохозяйственного производства и производственного процесса.
В частности, любое чрезмерное воздействие высоких концентраций NH 3 (более 30 частей на миллион в течении 10 минут) может вызвать раздражение глаз, кожи и дыхательной системы человека.
Летучие органические соединения — это углеводороды, существующие в виде газов или паров при комнатной температуре, которые могут выделяться из многочисленных продуктов и видов деятельности, например моющих средств, красок, растворителей, инструментов, одежды, игрушек, уборки и приготовления пищи.
Альдегидные, ароматические, алифатические, галогенированные и терпеноидные соединения являются летучими органическими соединениями, обычно обнаруживаемыми в коммерческих зданиях.
Токсичные летучие органические соединения, ранее обнаруженные в воздухе датчиками любого типа, включают формальдегид, ацетальдегид, бензол, толуол, ксилолы, фенол, пиридин, ацетон, уксусный ангидрид, сероуглерод, дигидроксибензол и т. д.
Например, фенол является токсичным летучим органическим соединением, встречающимся как в природе, так и в результате промышленных процессов, который может быстро всасываться через кожу и при контакте вызывать ожоги кожи и глаз.
Он считается серьезным загрязнителем из-за токсичности и стойкости в окружающей среде. Предел кратковременного воздействия фенола составляет 10 частей на миллион в течение 60 минут.
Из-за серьезного загрязнения окружающей среды мониторинг фенолов становится актуальной задачей. Таким образом, с развитием мониторинга загрязнения воздуха спрос на газовые датчики в будущем будет быстро расти.
Графен для датчиков токсичных газов
Как двумерный материал графен имеет много преимуществ, таких как большая сопряженная структура, большая удельная площадь поверхности, высокая проводимость, простота синтеза, чувствительность к молекулам газа и так далее.
Было доказано, что это многообещающий высокоэффективный материал для обнаружения газов. Поверхность графена может легко поглощать некоторые молекулы, такие как NO2, NH3, CO2 и так далее. Более того, проводимость графена изменится после адсорбции молекул целевого газа.
Концентрацию целевого газа в окружающей среде можно определить, наблюдая за изменением электропроводности.
Существует множество факторов, влияющих на датчики на основе графена, в том числе: метод синтеза, химическая структура, межслойная структура, тестовая среда и свойства поверхности. Из-за накопления силы Ван-дер-Ваальса, связывающей графен, двумерные графеновые нанокомпозиты имеют тенденцию к агломерации, что приводит к уменьшению удельной площади поверхности.
Чтобы в полной мере использовать характеристики графена, двумерный графен обычно собирают в трехмерное (3D) каркасное состояние с помощью ряда методов.
Напротив, благодаря сочетанию трехмерной пористой структуры и присущих графену характеристик, трехмерный графен обеспечивает больше места и большую площадь поверхности для переноса и хранения электронов.
Трехмерный графен обладает хорошей проводимостью, большой удельной поверхностью и универсальными местами адсорбции газа. Кроме того, дефекты и положения краев на трехмерном пористом графене играют важную роль в стимулировании адсорбции газа.
В последние годы, по сравнению с двумерными графеновыми структурами, трехмерные пористые графеновые структуры, такие как графеновые гидрогели, графеновые аэрогели и графеновые пены использовались в качестве высокоэффективных датчиков газа.
Хотя 3D-графен имеет широкие перспективы в области газовых сенсоров со сверхвысокой чувствительностью, селективность его неудовлетворительна. Различные молекулы газа могут адсорбироваться на одних и тех же листах трехмерного графена и приводить к полному изменению сопротивления.
Трудно количественно отличить один целевой газ от газовой смеси. Чтобы улучшить селективность, обычно требуется инженерия дефектов для модуляции графена.
Графеновый гидрогель
Графен известен как двумерный материал. В то время как его внутренняя структура и электронные свойства являются двумерными (т. е. электроны могут двигаться только в двух измерениях), графен также может быть преобразован в трехмерные структуры.
Оксид графена (OG) и восстановленный оксид графена (RGO) имеют 2D-сопряженную структуру с одноатомной толщиной и остаточными кислородсодержащими группами, которые структурно можно рассматривать как 2D-сопряженные макромолекулы. Они обладают богатой химической активностью, которая полезна для трехмерной самосборки с помощью ряда методов химической модификации для регулирования взаимодействия между слоями.
Графеновый гидрогель — одна из основных трехмерных сборок. Гидрогели химически модифицированного графена (CMG), полученные из GO или RGO, можно использовать для крупномасштабного производства.
Гидрогели RGO (RGOH) можно получить следующими способами:
- Гидротермальное восстановление - простое, быстрое и без примесей. В настоящее время широко используемый гидротермальный метод заключается в приготовлении дисперсии RGO путем гидротермической обработки при 180 °C.
- Химическое восстановление - выгодно для крупномасштабного производства.
- Электрохимическое восстановление - гидрогель, приготовленный этим методом, наносится на поверхность электрода и может наноситься непосредственно на электродные материалы электрохимических приборов.
- Вакуумная фильтрация - был разработан простой метод вакуумной фильтрации для приготовления гидрогелей RGO с высокой проводимостью, анизотропией и чувствительностью к раздражителям.
В дополнение к трехмерной самосборке графена в водной системе сборка графена в органической системе также может быть достигнута путем термического восстановления растворителем.
Композиты графенового аэрогеля обычно получают путем сверхкритической сушки или лиофильной сушки прекурсоров гидрогеля. Например, аэрогели RGO с высокой сжимаемостью можно получить сушкой вымораживанием и обработкой микроволнами.
Направленная заморозка — известная технология обработки пористых материалов. Эта технология также может быть использована для приготовления графеновых аэрогелей.
Более того, технология контролируемой термообработки также может уменьшить GO до RGO и восстановить проводимость. Регулирование химической структуры GO может регулировать морфологию и эластичность аэрогелей, например, кислородные функциональные группы в GO оказывают значительное влияние на морфологию и эластичность гелей.
Смотрите также: Электрические свойства структур углеродных нанотрубок