用于高性能气体检测的三维功能化石墨烯水凝胶,兼具三维和绿色合成!

二氧化氮(NO2)等气体污染已成为现今环境与健康领域亟待解决的问题,开发可准确、快速、高灵敏检测低浓度气体的气体传感器具有重要意义。还原氧化石墨烯(RGO)在制备高性能、低成本气体传感器方面具有潜力,但有三个问题限制了它的实际应用:1)石墨烯气体传感器对多种气体均有响应,选择性不佳;2)石墨烯片层容易产生堆叠、团聚,导致气体分子在石墨烯表面的吸附位点减少;3)将GO还原为RGO时,常用的还原剂(如氢醌、肼等)具有一定的毒性,带来环境污染和操作安全性的问题。

基于此,中山大学吴进副教授团队利用简便的自组装法,以对人体友好的维生素C(VC)为还原剂,在相对温和的条件(95℃、大气压)下,合成了VC修饰的三维石墨烯水凝胶(V-RGOH),并用于制备化学阻抗型气体传感器VC无毒无害,一方面作为还原剂实现RGOH的生成,另一方面对RGO进行了功能化修饰,显著提升了传感器的性能。三维多孔结构显著增大了比表面积,提供了大量的气体吸附位点,有利于提升传感器的灵敏度。此外,这项工作还利用植入的微加热器探究了器件性能对温度的依赖关系。

用于高性能气体检测的三维功能化石墨烯水凝胶,兼具三维和绿色合成!
图1. V-RGOH传感器的制备示意图以及SEM照片

与水热法得到的RGOH相比,该V-RGOH传感器在检测NO2和NH3时具有更高的灵敏度、更低的检测极限以及更快的响应/恢复速度。例如,RGOH和V-RGOH对NH3检测的灵敏度分别为0.03 ppm-1和0.39 ppm-1。同时,V-RGOH的检测极限低至0.42 ppm,优于RGOH的6.4 ppm。三维多孔结构提供了大量的气体吸附位点;同时,VC分子上的羟基可与气体分子形成氢键,使V-RGOH与气体的相互作用得到了增强,提高了结合能,促进了气体吸附。此外,载流子也可以通过纳米孔洞进行hopping,促进载流子的传输。

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图2. V-RGOH传感器I-V特性以及对NH3的响应特性
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图3. V-RGOH传感器对NO2的响应特性

此外,在传感器衬底的另一面集成了微加热器,通过原位改变器件的工作温度,考察气敏行为的变化。发现温度的升高削弱了灵敏度,但可以对恢复过程起到显著的促进作用。例如,检测80 ppm的NH3时,将温度从22 °C升高至57 °C,V-RGOH的响应从22.7%降低至4.13%,但信号恢复百分比从75.2%提高至100%。

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图4. V-RGOH传感器在不同温度下对NH3的气敏响应

除了上述性能以外,V-RGOH传感器还表现出良好的线性性、选择性和较宽的检测范围。这项工作采用绿色合成的路线,将化学功能化与三维结构调控相结合,揭示了其在制备高性能气体传感器方面的优势。

用于高性能气体检测的三维功能化石墨烯水凝胶,兼具三维和绿色合成!
图5. V-RGOH传感器的选择性

上述成果以“Green Synthesis of 3DChemically Functionalized Graphene Hydrogel for High-Performance NH3and NO2 Detection at Room Temperature”为题发表在《ACS Applied Materials &Interfaces》期刊上,第一作者和通讯作者为中山大学吴进副教授。该工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目的资助。

文章链接:

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

关于三维石墨烯气体传感器的相关文章链接:

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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