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中山大学吴进课题组在SnO2修饰的三维石墨烯水凝胶NO2传感器上取得新进展

发布时间:2020-1-17 16:44:54      阅读118

  由全世界范围内工业和农业的迅速发展带来的空气污染是一个重大的全球性问题。
  有毒的污染性气体如NO2,NH3,H2S等在极低浓度下就会对人体呼吸系统造成损伤。高灵敏气体检测在大气监测、健康防护和呼吸诊疗等领域变得越发重要。基于金属氧化物半导体例如SnO2的化学阻抗型气体传感器普遍应用于工业界,但需要在200°C以上的高温下工作,这带来了高能耗、热安全和高温团聚的问题。因此,如何降低SnO2气体传感器的工作温度是提高其性能的关键之所在。三维石墨烯水凝胶具有表面积大、批量制备成本低和导电性好的优点。
  中山大学吴进副教授课题组在前期工作的基础上(ACS Appl. Mater. Inter. 2015, 7, 27502; Adv. Sci. 2016, 3, 1600319; Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 7462; ACS Sens., 2019, 4, 1889),利用一步水热法,制备出SnO2修饰的、具有三维多孔结构的氧化石墨烯水凝胶(SnO2/RGOH)气敏材料,实现常温下高性能NO2气体检测。基于石墨烯的气体传感器普遍易受到湿度的干扰,湿度的变化通常会使传感器的灵敏度、选择性和稳定性明显恶化。针对此问题,本研究利用集成的MEMS微型加热器通过局部提升基底温度,有效地抑制了湿度的干扰,提高了气体传感器选择性。


图1. (a)一步水热法合成SnO2/RGOH气敏材料,再集成气体传感器与微型加热器于芯片一体;(b-c)SnO2/RGOH实物图和SEM下的微观形貌。


图2. 常温下RGOH和SnO2/RGOH对NO2检测的性能对比


  各种材料表征表明了在水热反应中氧化石墨烯的有效脱氧作用,和金红石SnO2纳米粒子在三维RGOH上的原位生长。水热法合成SnO2/RGOH能有效抑制SnO2纳米颗粒的团聚;三维多孔结构使其比表面积增大;同时n型SnO2与p型RGOH接触界面形成p-n异质结促进了电荷转移,以上都有效地提高了传感器的灵敏度和检测极限。与原始RGOH相比,SnO2/RGOH对NO2检测的灵敏度提高了一个数量级,在室温下理论检测极限(LOD)从186 ppb降至2.8 ppb。同时,异质结的形成使复合材料的导电性得到显著提升。利用低能耗的微型加热器研究温度对材料气敏特性的影响。发现适度提升基底温度对NO2检测的影响很小,但却能显著降低对湿度的响应,因此能有效排除湿度对气体传感器的干扰。仅需7.5V电压驱动加热器可维持54℃,高达80%RH的湿气引起电导变化几乎可以忽略不计。

 


图3. 微型加热器控温下对NO2和不同湿度的响应

 


图4. SnO2/RGOH柔性气体传感器对NO2检测的响应性


  值得注意的是,将SnO2/RGOH沉积在柔性液晶聚合物(LCP)衬底上,可构建耐机械弯曲的柔性NO2气体传感器。在承受大幅度弯曲形变情况下,传感器对NO2检测的性能基本不变。本研究表明通过合理的材料杂交、三维结构设计和局部温度调制等手段相结合,可有效提高气体传感器的灵敏度和选择性,为推动石墨烯气体传感器的实际应用提供了新的思路和材料选择。
  以上成果以题为“Three-dimensional Graphene Hydrogel Decorated with SnO2 for High Performance NO2 Sensing with Enhanced Immunity to Humidity” 发表在期刊ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, DOI: 10.1021/acsami.9b18098.上,本文的第一作者和通讯作者为中山大学吴进副教授,北京航空航天大学的王晓天副教授和北京科技大学的邱琳副教授为共通讯作者。
  该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金和广州市科技计划等项目的资助。
  文献链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.9b18098
  文章来源: 高分子科学前沿

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