石墨烯因其對低濃度氣體的高敏感性而備受矚目，但選擇性較差限制了其在高性能氣體傳感器中的應用。采用納米復合材料，即將不同的金屬硫化物與石墨烯或其衍生物相結合，是解決這一問題的理想方法。這類復合材料的開發，為實現具有更強檢測能力的氣體傳感器鋪平了道路，尤其是在提高氣體選擇性方面。

據麥姆斯咨詢報道，近期，國立臺北科技大學（National Taipei University of Technology）、印度拉夫里科技大學（Lovely Professional University）、北古吉拉特大學（Hemchandracharya North Gujarat University）等機構的研究人員在Sensors International期刊上發表了題為“Graphene-metal sulfide composite based gas sensors for environmental sustainability: A review”的綜述文章，系統地描述了基于石墨烯-金屬硫化物納米復合材料的氣體傳感器及其在有害氣體檢測中的應用進展。

圖1 基于石墨烯-金屬硫化物復合材料的氣體傳感器用于檢測各種有害氣體的示意圖

氣體傳感用金屬硫化物的合成方法

氣體傳感用金屬硫化物的合成通常采用從“氧化物到硫化物”的轉變策略，包括電化學、微波輔助、水熱/溶劑熱、濕化學、球磨、CVD、靜電紡絲、沉淀、溶膠-凝膠和化學還原等多種方法。其中，水熱/溶劑熱法是制備金屬硫化物最常用的方法。

圖2 水熱法合成的In2O3/MoS2復合材料在乙醇氣體傳感中的應用

基于石墨烯-金屬硫化物復合材料的氣體傳感器

材料合成技術的發展推動了氣體傳感器性能的提升。研究表明，基于石墨烯及其衍生物與各種金屬硫化物的氣體傳感器，具有增強的傳感性能，這些金屬硫化物包括硫化鉬（MoS2）、硫化錫（SnS2）、硫化鎢（WS2）、硫化鎘（CdS）等。通過對各種性能參數的氣體傳感器進行性能對比評估，結果顯示了基于石墨烯-金屬硫化物復合材料的氣體傳感器在有害氣體檢測方面具有顯著的優勢，其檢測限和濃度分別低至0.6 ppb和0.05 ppm。

圖3 基于石墨烯-金屬硫化物復合材料的氣體傳感器開發示意圖

（1）基于MoS2-石墨烯復合材料的氣體傳感器

MoS2-石墨烯復合材料充分利用了兩種成分的獨特性能，可高效檢測氣體。MoS2-石墨烯復合材料成分靈活，可精確定制以識別特定氣體，確保了其出色的選擇性和較低的交叉敏感性。這種復合材料的快速響應和恢復特性使得實時監測變得更加簡易，其固有的機械穩定性和化學耐久性也確保了氣體傳感器的長期使用壽命和可靠性。

圖4 利用MoS2-石墨烯復合材料開發的高性能NO2氣體傳感器

（2）基于SnS-石墨烯復合材料的氣體傳感器

SnS-石墨烯復合材料基于每種組成材料的獨特性能，在氣體傳感方面展現出顯著的協同優勢。這種復合材料巧妙地結合了SnS的反應性和石墨烯的化學穩定性，形成了一個促進電子傳輸和氣體吸附的界面，進而顯著增強了氣體檢測的響應性。SnS-石墨烯復合材料不僅能夠提升氣體傳感的靈敏度和選擇性，而且由于結合了石墨烯的機械柔韌性和SnS的機械強度，從而表現出優異的穩定性和長期使用壽命。

圖5 基于SnS-還原氧化石墨烯復合材料開發的丙酮氣體傳感器

（3）基于WS2-石墨烯復合材料的氣體傳感器

在氣體傳感應用中，石墨烯與WS2的結合也具有相當大的優勢。這兩種材料之間的協同效應發揮了每種材料的優勢：石墨烯的高導電性能夠增強氣體傳感的實時監測能力，WS2的優異吸附能力能夠提高對特定氣體的選擇性。基于WS2-石墨烯復合材料的氣體傳感器能夠有效檢測和分辨低濃度氣體，并提供快速的響應，展現出對氣體檢測技術革新的潛力。

圖6 利用WS2-石墨烯氣凝膠復合材料開展的NO2傳感研究

（4）基于CdS-石墨烯復合材料的氣體傳感器

CdS與石墨烯的協同組合可將二者的獨特性能深度結合，從而實現氣體傳感器的卓越性能。這種復合材料利用CdS和石墨烯與各種氣體的不同親和性，不僅顯著提升了靈敏度，還實現了優異的選擇性。石墨烯的快速電子傳輸能力和CdS的快速吸收特性共同促進了快速的響應時間，并極大地提高了選擇性。此外，CdS與石墨烯的結合還確保了穩定性和彈性，其中，石墨烯充當了一道防護屏障，能有效抵御環境侵蝕，延長了氣體傳感器的使用壽命。

圖7 利用CdS/CdO-還原氧化石墨烯復合材料開展的NO2傳感研究

（5）基于其它金屬硫化物-石墨烯復合材料的氣體傳感器

在氣體傳感器研究方面，還有多項關于其它金屬硫化物-石墨烯復合材料的研究，包括硫化鋅（ZnS）、硫化鈷（CoS）和硫化鎳（NiS）等金屬硫化物。例如，Yu等人驗證了基于ZnO@ZnS-石墨烯復合材料的氣體傳感器對乙醇具有出色的響應。Chen等人利用ZnS/N-石墨烯復合材料成功開發出一種便攜式NO2傳感器，并驗證了其有效性。

綜上所述，石墨烯-金屬硫化物納米復合材料在氣體傳感領域取得了快速的發展，開創了氣體傳感技術的新時代。這些先進材料的集成有望徹底顛覆氣體檢測技術，為人類提供更清潔、更安全的環境。

審核編輯：劉清