二氧化氮嚴重威脅著人類健康和生態環境。然而，制造具有快速響應/回收率，低檢測限和易于集成的高靈敏度二氧化氮傳感器仍然是一個挑戰。利用其快速載流子轉移和豐富的活性位點，采用多孔氧化石墨烯(HGO)對In
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3納米片進行功能化，構建NO
2氣體傳感器。
表征和理論計算證實了HGO修飾在NO
2傳感中的優點。最佳樣品，0.5 wt %的HGO/In
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3薄片，表現出優異的傳感性能，與對應的GO/In
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3相比，對1 ppm NO
2的響應提高了1.37倍。氣敏動力學分析表明，其活化能較低，動力學速率常數較高。重要的是，采用脈沖溫度調制將氣體吸附與表面活化過程解耦，對于0.5 wt %的HGO/ In
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3片傳感器，實現了2776到1 ppm NO
2的超高響應。與等溫模式相比，該策略的響應值提高了1.6倍，響應/恢復時間縮短了33%/70%，可以檢測到低至1 ppb的NO
2濃度。最后，基于脈沖溫度調制的0.5 wt % HGO/ In
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3片傳感器，演示了一種NO
2監測報警系統的危害預警功能。
圖1. (a) HGO/In
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3合成示意圖;(b)脈沖驅動的HGO/In
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3氣體傳感器的原理圖，該傳感器系統集成了電池和警報原型。
圖2. (a)氧化石墨烯形成機理示意圖以及氧化石墨烯和氧化石墨烯的水相分散體照片;(b) GO和(c) HGO的TEM圖像;(d)拉曼光譜;(e) In
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3-sheet, 0.5 wt % GO/In
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3-sheet和0.5 wt % HGO/In
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3-sheet的XRD譜圖;(f) HGO / In
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3-sheet;(g) 0.5 wt % GO/In
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3-sheet和(h) 0.5 wt % HGO/In
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3-sheet的SEM, TEM和HRTEM圖像。
圖3. (a)拉曼光譜; (b)紫外-可見光譜; (c)(αhν)
2對光子能量(hν)的曲線; (d) N2吸附-解吸等溫線; (e)寬掃描 XPS 測量光譜的 XPS 光譜; (f) C1s; (g) In 3d; (h) O1s。
圖4. 基于(a) In
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3片，0.5 wt% GO/In
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3片和0.5 wt% HGO/In
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3片的傳感器對1 ppm NO
2的溫度依賴性響應; (b) HGO/In
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3片; (c-e)濃度梯度響應-恢復曲線; (f)在傳感器的不同濃度梯度下的響應。
圖5. (a) Ea和(b) Q與濃度對數的關系;(c)響應/恢復曲線;(d)電化學阻抗譜(EIS);(e) HGO與In
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3-sheet的功函數;(f) (f1) GO/In
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3和(f2) HGO/In
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3的側視圖表面吸附模型;(g) (g1) GO/In
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3和(g2) HGO/In
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3吸附在NO
2分子上的電子定位函數(ELF)。
圖6. (a)在62.5 ℃下對各種氣體的響應; (b)5個循環的重復性曲線; (c)基于 In
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3-片，0.5 wt% GO/In
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3-片和0.5 wt% HGO/In
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3-片的氣體傳感器在30天內對1 ppm NO
2的響應。
圖7. (a)脈沖驅動氣體傳感器示意圖;(b)在PTM模式下，不同HT百分比下，0.5 wt % HGO/ In
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3薄片傳感器對1 ppm NO
2的瞬態響應;(c)提取的PTM-LT響應和(d)響應/恢復時間與HT百分比的關系;(e)不同HT百分比下提取的PTM-LT響應和(f)響應/恢復時間;(g) 0.5 wt % HGO/ In
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3薄片傳感器對PTM-LT和等溫LT中1ppm NO
2的傳感性能的比較;(h) 1和2ppb NO
2下的響應曲線和(i)不同相對濕度(20-90%)下PTM-LT模式下傳感器對1ppm NO
2的響應。
圖8.(a)二氧化氮感應系統示意圖及(b)照片;(c) PTM模式下，0.5 wt % HGO/ In
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3薄片傳感器對10-1000 ppb NO
2的電阻響應曲線;(d)模擬條件下的應用:安全濃度和過量濃度的NO
2。
相關研究成果由吉林大學
Yuan Gao課題組2024年發表在
ACS Sensors (鏈接：https://doi.org/10.1021/acssensors.4c01647)上。原文：Prototype Alarm Integrating Pulse-Driven Nitrogen Dioxide Sensor Based on Holey Graphene Oxide/In2O3
轉自《石墨烯研究》公眾號
