基于石墨铅笔粉/PMMA光纤传感器的环境监测：DFT与实验协同揭示室温有毒气体检测新机制

针对传统气体传感器功耗高、易受干扰等问题，印度研究团队创新性地利用废弃彩色铅笔粉末（黑/红色）开发光纤气体传感器，通过DFT计算与实验结合，证实其对NH3、丙酮等VOCs的室温检测能力，其中黑粉对甲苯吸附能达-4.57 eV，为低成本环境监测提供新方案。

　　

随着工业化和城市化进程加速，氨气(NH₃)、甲苯(C₇H₈)等有毒挥发性有机物(VOC)的排放对环境和人体健康构成严峻威胁。传统金属氧化物半导体(MOS)传感器需350-500°C高温工作，而电化学传感器易受电磁干扰，开发室温稳定、低成本的气体传感器成为研究热点。石墨烯虽具优异传感性能，但其制备成本制约商业化应用。

印度科学团队独辟蹊径，将废弃的Prismacolor 4B铅笔粉末（黑/红色）作为传感材料，构建聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光纤传感器。通过密度泛函理论(DFT)计算与实验验证相结合，系统研究了其对NH₃、丙酮(C₃H₆O)、甲醇(CH₃OH)等5种VOC的检测性能。研究发现黑粉对甲苯的吸附能达-4.57 eV，恢复时间仅0.160×10^?12 s，灵敏度显著优于红粉。该成果发表于《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》，为废弃物高值化利用和环保传感技术开发提供新范式。

关键技术包括：1）铅笔粉末形貌表征（SEM/XRD）；2）光纤传感平台构建（PMMA包层置换）；3）DFT计算（吸附能/电荷转移分析）；4）0-500 ppm浓度梯度气体响应测试。

【Structural and morphological analysis】
XRD显示黑粉具有典型石墨晶体结构（2θ=26.5°对应石墨(002)晶面），而红粉呈现无定形特征。SEM证实黑粉为层状结构，比表面积更大，利于气体吸附。

【Conclusion】
研究证实废弃铅笔石墨可作为高效VOC传感材料，其中黑粉对甲苯的室温检测性能最佳。DFT揭示其敏感机制源于石墨烯片层与气体分子间的电荷转移（0.03-0.22 e）和能带结构改变。该传感器无需加热元件，功耗低于传统MOS传感器10³倍，且原料成本仅为商用石墨烯传感器的1/50。

这项工作的创新性在于：首次将铅笔粉末应用于光纤气体传感；建立DFT模拟与实验的协同验证方法；为"废弃物-传感器"转化提供普适性方案。未来可通过掺杂改性进一步提升对特定气体的选择性，在工业泄漏监测、医疗呼气分析等领域具有广阔应用前景。