近日，广西类脑计算与智能芯片重点实验室(BCIC)李全福博士团队在石墨烯气体传感器领域的最新研究成果——题为《Highly sensitive graphene-based ammonia sensor enhanced by electrophoretic deposition of MXene》（电泳沉积MXene增强的石墨烯氨气传感器）的学术论文在国际学术期刊《Carbon》(中科院二区，JCR Q1, Top期刊，影响因子11.307)上发表。

论文简介

因为石墨烯具有高导电性、低噪声、大比表面积等优点，基于石墨烯薄膜的气体传感器是极其具有应用前景的氨气传感器。然而，由于石墨烯本身的零带隙特性和缺乏表面官能团，石墨烯作为敏感材料在氨气检测中存在灵敏度低、响应速度慢、恢复性差等问题。本工作利用电泳沉积法将MXene均匀地沉积在石墨烯薄膜表面，从而构建MXene/石墨烯复合敏感薄膜作为新的气敏材料。氨气气敏测试结果表明，MXene/石墨烯复合薄膜传感器在室温和高湿度下表现出快速响应、高灵敏度和优异的氨选择性。

主要工作

（1）MXene/石墨烯复合敏感薄膜及传感器的制备。本工作中的传感器制备流程如图1所示，涉及石墨烯、MXene材料的制备以及器件的制备。本工作所用的石墨烯为通过化学沉积气相法（CVD）生长的单层石墨烯，MXene则是用温和的刻蚀组合：HCL+LiF进行选择性刻蚀得到。器件制备是在硅衬底上进行，涉及实验工艺包括光刻、磁控溅射镀膜、石墨烯湿法刻蚀、氧等离子刻蚀、电泳沉积等。

图1. 器件制备流程图

（2）MXene/石墨烯复合敏感薄膜的形貌表征。通过扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对电沉积前后的敏感薄膜进行表征，如图2所示。从微观结构下，表征结果清楚的显示MXene被均匀地沉积到在单层石墨烯上，且石墨烯/MXene复合敏感薄膜表面均匀且连续。

图2. MXene/石墨烯复合敏感薄膜和石墨烯薄膜的微观结构表征

（3）氨气传感测试及其机理分析。如图3所示，电沉积前后的薄膜均为欧姆接触。在相同的测试浓度（100 ppm）下，MXene/Graphene 传感器的灵敏度是石墨烯薄膜传感器的3倍，是 MXene 薄膜传感器的2倍，达到 25%，其理论检测限（LOD）为 56 ppb。响应时间仅为26 s，恢复时间为148 s，而石墨烯传感器的响应时间为228 s。沉积在石墨烯表面的MXene具有高亲水性，且富含多种含氧官能团，这些官能团可以作为吸附氨气分子的有效吸附位点，这是MXene/石墨烯复合敏感薄膜在高湿环境下表现出优异氨气传感的主要原因。

图3. MXene/石墨烯复合敏感薄膜氨气传感器的气敏测试

结论

本工作利用电泳沉积法制备了一种新型的石墨烯/MXene复合敏感膜传感器，因其在高湿和室温环境下有着出色的工作性能，例如快速响应、快速解吸附、高灵敏度等，该传感器在人体呼出气体检测方面有着极大的应用潜力。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.11.033