用於高性能氣體檢測的三維功能化石墨烯水凝膠,兼具三維和綠色合成!

二氧化氮(NO2)等氣體污染已成為現今環境與健康領域亟待解決的問題,開發可準確、快速、高靈敏檢測低濃度氣體的氣體傳感器具有重要意義。還原氧化石墨烯(RGO)在制備高性能、低成本氣體傳感器方面具有潛力,但有三個問題限制瞭它的實際應用:1)石墨烯氣體傳感器對多種氣體均有響應,選擇性不佳;2)石墨烯片層容易產生堆疊、團聚,導致氣體分子在石墨烯表面的吸附位點減少;3)將GO還原為RGO時,常用的還原劑(如氫醌、肼等)具有一定的毒性,帶來環境污染和操作安全性的問題。

基於此,中山大學吳進副教授團隊利用簡便的自組裝法,以對人體友好的維生素C(VC)為還原劑,在相對溫和的條件(95℃、大氣壓)下,合成瞭VC修飾的三維石墨烯水凝膠(V-RGOH),並用於制備化學阻抗型氣體傳感器VC無毒無害,一方面作為還原劑實現RGOH的生成,另一方面對RGO進行瞭功能化修飾,顯著提升瞭傳感器的性能。三維多孔結構顯著增大瞭比表面積,提供瞭大量的氣體吸附位點,有利於提升傳感器的靈敏度。此外,這項工作還利用植入的微加熱器探究瞭器件性能對溫度的依賴關系。

用於高性能氣體檢測的三維功能化石墨烯水凝膠,兼具三維和綠色合成!
圖1. V-RGOH傳感器的制備示意圖以及SEM照片

與水熱法得到的RGOH相比,該V-RGOH傳感器在檢測NO2和NH3時具有更高的靈敏度、更低的檢測極限以及更快的響應/恢復速度。例如,RGOH和V-RGOH對NH3檢測的靈敏度分別為0.03 ppm-1和0.39 ppm-1。同時,V-RGOH的檢測極限低至0.42 ppm,優於RGOH的6.4 ppm。三維多孔結構提供瞭大量的氣體吸附位點;同時,VC分子上的羥基可與氣體分子形成氫鍵,使V-RGOH與氣體的相互作用得到瞭增強,提高瞭結合能,促進瞭氣體吸附。此外,載流子也可以通過納米孔洞進行hopping,促進載流子的傳輸。

用於高性能氣體檢測的三維功能化石墨烯水凝膠,兼具三維和綠色合成!
圖2. V-RGOH傳感器I-V特性以及對NH3的響應特性
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圖3. V-RGOH傳感器對NO2的響應特性

此外,在傳感器襯底的另一面集成瞭微加熱器,通過原位改變器件的工作溫度,考察氣敏行為的變化。發現溫度的升高削弱瞭靈敏度,但可以對恢復過程起到顯著的促進作用。例如,檢測80 ppm的NH3時,將溫度從22 °C升高至57 °C,V-RGOH的響應從22.7%降低至4.13%,但信號恢復百分比從75.2%提高至100%。

用於高性能氣體檢測的三維功能化石墨烯水凝膠,兼具三維和綠色合成!
圖4. V-RGOH傳感器在不同溫度下對NH3的氣敏響應

除瞭上述性能以外,V-RGOH傳感器還表現出良好的線性性、選擇性和較寬的檢測范圍。這項工作采用綠色合成的路線,將化學功能化與三維結構調控相結合,揭示瞭其在制備高性能氣體傳感器方面的優勢。

用於高性能氣體檢測的三維功能化石墨烯水凝膠,兼具三維和綠色合成!
圖5. V-RGOH傳感器的選擇性

上述成果以“Green Synthesis of 3DChemically Functionalized Graphene Hydrogel for High-Performance NH3and NO2 Detection at Room Temperature”為題發表在《ACS Applied Materials &Interfaces》期刊上,第一作者和通訊作者為中山大學吳進副教授。該工作得到瞭國傢自然科學基金、廣東省自然科學基金等項目的資助。

文章鏈接:

https://doi.org/10.1021/acsami.0c00578

關於三維石墨烯氣體傳感器的相關文章鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b18098

https://doi.org/10.1039/C6TA01426G

https://doi.org/10.1002/advs.201600319

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