氧化石墨烯协同水浴处理改性CuO纳米片用于快速检测乙酰丙酮

为解决工业环境中乙酰丙酮（acetylacetone）挥发性有机化合物（VOC）的高效检测难题，研究人员通过水热法制备了氧化石墨烯（GO）协同水浴处理的CuO纳米片复合材料（CuO/GO-0.4 (70 °C)）。该传感器在175 °C下对100 ppm乙酰丙酮的响应达39.29，响应/恢复时间仅24 s/38 s，并表现出优异的选择性和稳定性。研究通过第一性原理计算揭示了GO增强载流子传输和氧空位（Ov）的作用机制，为工业安全监测提供了新策略。

　　

乙酰丙酮作为一种广泛应用于化工生产的挥发性有机化合物（VOC），其高挥发性和易燃性不仅威胁工业安全，吸入高浓度还会引发头痛、恶心等健康问题。美国工业卫生协会（ACGIH）将其职业接触限值严格限定为25 ppm，但现有检测技术难以兼顾快速响应与高灵敏度。传统金属氧化物传感器虽成本低、稳定性好，但对乙酰丙酮的响应性能不足，亟需通过材料改性突破瓶颈。

渤海大学（Bohai University）海洋研究院的研究人员创新性地将氧化石墨烯（GO）与水浴处理协同引入CuO纳米片的制备中，通过水热法成功合成CuO/GO复合材料。该研究发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》，首次实现了CuO/GO对乙酰丙酮的高效检测。实验表明，优化后的CuO/GO-0.4 (70 °C)传感器在175 °C工作温度下，对100 ppm乙酰丙酮的响应值达39.29，是纯CuO的16倍，且响应/恢复时间缩短至24 s和38 s。此外，传感器展现出28天的长期稳定性及5 ppm低浓度下的高响应（8.21），远超行业需求。

研究团队采用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）确认材料的单斜晶系CuO结构及纳米片形貌，并通过X射线光电子能谱（XPS）证实水浴处理显著提升了氧空位浓度。第一性原理计算表明，GO的引入优化了CuO的电子能带结构，其高载流子迁移率加速了气体吸附-脱附过程中的电荷传输，而氧空位（O_v）作为活性位点进一步增强了乙酰丙酮的吸附能力。

结构表征
XRD显示所有样品均匹配单斜CuO标准卡片（JCPDS 48–1548），水浴处理未改变晶型但提高了结晶度。SEM证实GO的加入有效抑制了CuO纳米片的团聚，形成多孔结构。

气敏性能
CuO/GO-0.4 (70 °C)对乙酰丙酮的选择性显著优于乙醇、丙酮等干扰气体，且重复测试响应偏差小于5%。

机理分析
密度泛函理论（DFT）计算表明，GO与CuO界面形成异质结，导带底位置下移促进电子转移；氧空位作为电子捕获中心，降低了气体分子解离能垒。

这项研究不仅为乙酰丙酮检测提供了高性能传感器方案，更通过GO与氧空位的协同作用机制，为p型半导体气敏材料设计提供了新思路。其快速响应特性可实时预警工业泄漏，而低功耗（175 °C工作温度）和长寿命（28天稳定性）进一步推动了气体传感器的实用化进程。