基于石墨烯-金属硫化物纳米复合材料的气体传感器

石墨烯因其对低浓度气体的高敏感性而备受瞩目，但选择性较差限制了其在高性能气体传感器中的应用。采用纳米复合材料，即将不同的金属硫化物与石墨烯或其衍生物相结合，是解决这一问题的理想方法。这类复合材料的开发，为实现具有更强检测能力的气体传感器铺平了道路，尤其是在提高气体选择性方面。

据麦姆斯咨询报道，近期，国立台北科技大学（National Taipei University of Technology）、印度拉夫里科技大学（Lovely Professional University）、北古吉拉特大学（Hemchandracharya North Gujarat University）等机构的研究人员在Sensors International期刊上发表了题为“Graphene-metal sulfide composite based gas sensors for environmental sustainability: A review”的综述文章，系统地描述了基于石墨烯-金属硫化物纳米复合材料的气体传感器及其在有害气体检测中的应用进展。

图1 基于石墨烯-金属硫化物复合材料的气体传感器用于检测各种有害气体的示意图

气体传感用金属硫化物的合成方法

气体传感用金属硫化物的合成通常采用从“氧化物到硫化物”的转变策略，包括电化学、微波辅助、水热/溶剂热、湿化学、球磨、CVD、静电纺丝、沉淀、溶胶-凝胶和化学还原等多种方法。其中，水热/溶剂热法是制备金属硫化物最常用的方法。

图2 水热法合成的In2O3/MoS2复合材料在乙醇气体传感中的应用

基于石墨烯-金属硫化物复合材料的气体传感器

材料合成技术的发展推动了气体传感器性能的提升。研究表明，基于石墨烯及其衍生物与各种金属硫化物的气体传感器，具有增强的传感性能，这些金属硫化物包括硫化钼（MoS2）、硫化锡（SnS2）、硫化钨（WS2）、硫化镉（CdS）等。通过对各种性能参数的气体传感器进行性能对比评估，结果显示了基于石墨烯-金属硫化物复合材料的气体传感器在有害气体检测方面具有显著的优势，其检测限和浓度分别低至0.6 ppb和0.05 ppm。

图3 基于石墨烯-金属硫化物复合材料的气体传感器开发示意图

（1）基于MoS2-石墨烯复合材料的气体传感器

MoS2-石墨烯复合材料充分利用了两种成分的独特性能，可高效检测气体。MoS2-石墨烯复合材料成分灵活，可精确定制以识别特定气体，确保了其出色的选择性和较低的交叉敏感性。这种复合材料的快速响应和恢复特性使得实时监测变得更加简易，其固有的机械稳定性和化学耐久性也确保了气体传感器的长期使用寿命和可靠性。

图4 利用MoS2-石墨烯复合材料开发的高性能NO2气体传感器

（2）基于SnS-石墨烯复合材料的气体传感器

SnS-石墨烯复合材料基于每种组成材料的独特性能，在气体传感方面展现出显著的协同优势。这种复合材料巧妙地结合了SnS的反应性和石墨烯的化学稳定性，形成了一个促进电子传输和气体吸附的界面，进而显著增强了气体检测的响应性。SnS-石墨烯复合材料不仅能够提升气体传感的灵敏度和选择性，而且由于结合了石墨烯的机械柔韧性和SnS的机械强度，从而表现出优异的稳定性和长期使用寿命。

图5 基于SnS-还原氧化石墨烯复合材料开发的丙酮气体传感器

（3）基于WS2-石墨烯复合材料的气体传感器

在气体传感应用中，石墨烯与WS2的结合也具有相当大的优势。这两种材料之间的协同效应发挥了每种材料的优势：石墨烯的高导电性能够增强气体传感的实时监测能力，WS2的优异吸附能力能够提高对特定气体的选择性。基于WS2-石墨烯复合材料的气体传感器能够有效检测和分辨低浓度气体，并提供快速的响应，展现出对气体检测技术革新的潜力。

图6 利用WS2-石墨烯气凝胶复合材料开展的NO2传感研究

（4）基于CdS-石墨烯复合材料的气体传感器

CdS与石墨烯的协同组合可将二者的独特性能深度结合，从而实现气体传感器的卓越性能。这种复合材料利用CdS和石墨烯与各种气体的不同亲和性，不仅显著提升了灵敏度，还实现了优异的选择性。石墨烯的快速电子传输能力和CdS的快速吸收特性共同促进了快速的响应时间，并极大地提高了选择性。此外，CdS与石墨烯的结合还确保了稳定性和弹性，其中，石墨烯充当了一道防护屏障，能有效抵御环境侵蚀，延长了气体传感器的使用寿命。

图7 利用CdS/CdO-还原氧化石墨烯复合材料开展的NO2传感研究

（5）基于其它金属硫化物-石墨烯复合材料的气体传感器

在气体传感器研究方面，还有多项关于其它金属硫化物-石墨烯复合材料的研究，包括硫化锌（ZnS）、硫化钴（CoS）和硫化镍（NiS）等金属硫化物。例如，Yu等人验证了基于ZnO@ZnS-石墨烯复合材料的气体传感器对乙醇具有出色的响应。Chen等人利用ZnS/N-石墨烯复合材料成功开发出一种便携式NO2传感器，并验证了其有效性。

综上所述，石墨烯-金属硫化物纳米复合材料在气体传感领域取得了快速的发展，开创了气体传感技术的新时代。这些先进材料的集成有望彻底颠覆气体检测技术，为人类提供更清洁、更安全的环境。

审核编辑：刘清