近年来，二维（2D）层状材料因其卓越的性能而受到广泛关注。例如，石墨烯由于其超高的表面体积比和高导电性，它在化学传感方面显示出巨大的前景。不幸的是，未经适当表面改性的石墨烯传感器表现出较差的选择性，阻碍了它们区分各种气体的能力。通过制造缺陷或在石墨烯中掺杂氮或硼原子，气体分子在缺陷位置的优先吸附可以显著提高传感性能。与石墨烯不同，h-BN是一种电绝缘体，由于其惰性和稳定性，h-BN通常被认为不适合气体吸附，目前大多研究都集中于理论计算。然而通过将其与导电材料杂化，有可能在克服其导电性限制的同时，保留其独特的气体吸附特性。
为了解决这一问题，华中科技大学龙胡教授团队联合加州大学伯克利分校Alex Zettl教授团队以高质量石墨烯为模版，控制合成了高比表面积h-BN/石墨烯杂化气凝胶。在该系统中，首次发现了h-BN模板合成的转化难度与碳模板的质量呈正相关，并在石墨烯纳米片和碳纳米管上得到了验证。该杂化材料用于氨气传感产生ppb水平的检测极限和极高的选择性。这种创新的方法为h-BN在气体传感中的应用提供了新的可能性，在气体捕获、环境监测等领域具有重要潜力。相关工作以“Template Quality Dependent Conversion Synthesis of Boron Nitride Coated Graphene Hybrid Aerogels for Ultrasensitive and Selective Ammonia Sensing”为题在线发表在《Advanced Functional Materials》上，第一作者为Guangliang Li。首先以氧化石墨烯（GO）为原料通过冷冻干燥、退火制备石墨烯气凝胶（GA）。GA的质量，包括结晶度、电导率和缺陷可以通过退火步骤来控制。以氨气为氮源，硼酸粉为硼源，通过模板辅助、无催化剂的热还原方法，根据GA模板的质量和反应条件的不同，在管式炉中将GA进一步转化为纯氮化硼气凝胶（BNA）或氮化硼涂覆石墨烯气凝胶（BN-GA）。BN-GA可以在700℃的空气中进一步退火以去除石墨烯模板并获得纯净的BNA。在所有处理过程中，气凝胶的形态和结构都得到了很好的保持。最终气凝胶的密度也可以通过转化过程进行微调。图1：(a-d) BN-GA和BNA的合成过程示意图；(e-g) GA、BN-GA和BNA的典型SEM图像高质量的石墨烯模版通过一步反应仅有部分转化为氮化硼，而低质量的石墨烯可以直接完全转化为纯氮化硼气凝胶，与高质量的GA相比，低质量的GA更容易转化为BNA。通过使用其他碳模板（碳纳米管和少层石墨烯纳米片）进一步研究了碳模板质量与h-BN转化产物之间的相关性。不同质量的碳纳米管和石墨烯纳米片的转化行为与GA相似，进一步证明了碳模板的质量与h-BN的转化合成难度呈正相关。这为基于取代的h-BN合成方法提供了一个新的“模板质量”可调维度。在合适的碳模板和正确的反应条件下，可以合成具有理想形貌，组成和密度的h-BN基产品，为具有可调性能的电子产品开辟了机会。表1：基于不同质量的GA、CNT和Gr在特定反应条件下的h-BN转化率图2：（a-c）低质量和（d-f）高质量碳模板合成h-BN的反应过程示意图图3：(a-i) BN-GA气凝胶的TEM表征； (j) GA、BN-GA和BNA的FTIR光谱根据XPS谱峰拟合可知，BN-GA中C、B、N、O的原子百分比分别为31.71%、34.8%、29.44%、4.05%。B/N原子比为1.18，表明合成的BN-GA中N空位含量较高。此外，通过计算XPS光谱中不同化学状态峰的面积，确定BN-GA中石墨烯与h-BN的比例约为2:1。图4：BNA、BN-GA和GA样品的高分辨率X射线光电子能谱将合成的BN-GA集成到化学敏感场效应晶体管（CS-FET）上，测试了BN-GA的气敏性能。在低NH3浓度（低于100 ppb）的作用下，传感器响应迅速，可以完全恢复到基线，并具有线性响应特性。即使在NH3浓度低至20 ppb时，传感器也表现出清晰的响应。与GA相比，BN-GA传感器显著提高了对NH3的选择性，这种选择性的增强可能归因于NH3分子在BN-GA表面缺陷部位的优先吸附。我们通过DFT计算模拟了NH3在单层石墨烯纳米片和h-BN/石墨烯异质结构上的吸附。NH3分子在N空位BN-GA表面的吸附构型的吸附能和电荷转移最高，这与在XPS测量中观察到的略低于B原子的N含量一致，表明制备的BN-GA中存在丰富的N空位缺陷。图6：GA和N空位BN-GA的NH3吸附第一性原理计算结果总结：我们的研究提供了一种合成基于h-BN的三维气凝胶的新方法，发现h-BN转化的难度与碳模板的质量呈正相关，强调了追求高表面积在气敏平台开发中的重要性。此外，它还为基于多种材料复合的高效气体传感器的发展开辟了新的前景。