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第 3 期 杨建召，等: 不同氧化程度氧化石墨烯氨气敏感性能及机理 ·385·

附则越难。 2.2.4 选择性
图 7 是 GOs-3 分别对 NH 3 、H 2 、CH 4 的灵敏度。
表 2 不同氧化程度 GOs 对 0.004%（体积分数）NH 3 的
响应恢复时间
Table 2 Response recovery time of different oxidation degree
GOs to 0.004% (Volume fraction) NH 3
样品

GOs-1 GOs-2 GOs-3 GOs-4 GOs-5
响应时间/s 42 33 30 31 37
恢复时间/ s 1 2 4 4 2

2.2.3 重复性和稳定性

图 6 为不同氧化程度 GOs 元件的重复性曲线和
图 7 GOs-3 元件对 NH 3 、CH 4 、H 2 灵敏度
GOs-3 元件的稳定性曲线。 Fig. 7 Sensitivity of GOs-3 to NH 3 ，CH 4 ，H 2

选择性是表征气体传感器敏感性能的重要参
数，图 7 为 GOs-3 元件对不同气体的灵敏度。可以
看出，GOs-3 元件对 NH 3 的灵敏度远大于对 CH 4 、
H 2 的灵敏度，对 NH 3 具有明显的选择性。这主要是
由于，—OH 易与 NH 3 分子结合，进而引起电阻变
化。GOs 对 NH 3 具有较好的敏感性能，与 GOs 中含
氧官能团种类和含量有很大关系，—OH 相对含量
越高，元件的敏感性能越好。
2.3 GOs 的 NH 3 敏感机理
NH 3 在 GOs 上的吸附机理如图 8~9 所示。氧化
程度决定 GOs 中含氧官能团类型和含量，而含氧官
能团的类型和含量将对 NH 3 的响应产生影响。
Tang [30] 等用第一性原理计算研究了 GOs 对 NH 3 的吸
附和解吸附作用，发现主要取决于表面存在的不同
活性或缺陷位点，表面—OH 可以与 NH 3 形成
OH···N（氢键），提高 GOs 和 NH 3 分子间的电荷转

移量，进而引起电阻减小。图 3~5 表明 GOs 与 NH 3

分子作用后引起元件的电阻变化。分析认为，GOs
图 6 不同氧化程度 GOs 元件的重复性曲线（a）和 GOs-3
对 NH 3 分子的响应存在两种机制，即 NH 3 分子进入
元件在不同浓度 NH 3 中的稳定性曲线（b）
+
Fig. 6 Repeatability(a) of the different oxidation degrees GOs 片层间水分子层后水解形成 NH 4 的离子电导
GOs sensors and stability(b) of GOs-3 in different 机制（图 8）和 GOs 结构层上含氧官能团对 NH 3 分
concentrations of NH 3 子吸附后的电荷转移机制（图 9）。

由图 6a 可以看出，不同氧化程度 GOs 元件均 GOs 因含有含氧官能团而具有很强的亲水性，
具有良好的重复性，经计算元件的重复性误差依次 表面和片层间的水分子膜可引起—COOH 和—OH
为 8.1%、6.4%、3.1%、6.5%、3.4%，GOs-3 元件的 的去离子化反应：
–
+
+
重复性误差最低。由图 6b 可以看出，GOs-3 元件在 C—COOH + H 2O  C—COO + H 3O (H )
体积分数为 0~0.01%的 NH 3 气氛中电阻变化很小， （反应 1）
+
+
–
表明其具有很好的稳定性。 C—OH + H 2 O  C—O + H 3 O (H ) （反应 2）

图 8 NH 3 在 GOs 层间的吸附过程示意图
Fig. 8 Schematic diagram of the adsorption process between NH 3 in the GOs layer