摘要：第一作者：Weisi He通讯作者：Yaozu Liao，Yong-Jun Chen，Gang Xu，Zhonghua Cheng通讯单位：东华大学，中科院福建物质结构所DOI: 10.1002/smll.202407880
第一作者：Weisi He
通讯作者：Yaozu Liao，Yong-Jun Chen，Gang Xu，Zhonghua Cheng
通讯单位：东华大学，中科院福建物质结构所
DOI: 10.1002/smll.202407880
背景介绍
作为嗅觉传感的基本组成部分，气体传感器在环境监测、公共安全、医疗保健、食品安全、军事航空航天等领域具有广泛的潜在应用。与其他气体检测相比，化学电阻式气体传感器将气体的类型和浓度转化为电阻变化作为读出信号，具有器件设计简单、成本低、灵敏度高、寿命长等优点。采用金属氧化物半导体（MOS）的最常用的化学电阻传感材料具有固有的缺点，如选择性差、工作温度高和功耗高。所有这些都限制了气体传感器的实际应用和工业发展。因此，迫切需要探索能够提供高灵敏度并在相对较低的温度下工作的替代气体传感材料，以减少能源使用，同时不影响灵敏度。
多孔有机聚合物（POPs）是一类由有机建筑单元通过强共价键构建的多孔网络。由于其结构多样、稳定性高、表面积大，持久性有机污染物在许多应用中都有很大的前景，如气体储存、催化、传感、能量储存和转换。目前，共价有机框架（COF）和共价三嗪框架（CTF）作为持久性有机污染物用于化学电阻气体传感器。与COF和CTF相比，共轭微孔聚合物（CMP）是另一种持久性有机污染物，它提供了一种更简单的合成方法，不受结晶或特定反应条件的限制。此外，CMP不仅具有POPs的特性，而且由于其大环共轭骨架结构，还表现出独特的半导体性能。这使得CMP在化学电阻气敏材料方面极具前景。尽管已经制造了光化学传感器，CMP尚未用于化学电阻气体传感领域。这主要归因于CMP的加工性能差和电导率低，这阻碍了化学电阻气敏中的有效电子转移。
为了获得高性能的传感材料，有必要提高CMP的导电性。CMP和氨基官能化多壁碳纳米管（NH2-MWCNT）的混合策略可能是提高电导率以实现基于CMP的优异化学电阻气体传感的良好选择。这是由于：1）NH2多壁碳纳米管的表面氨基为CMP的杂交提供了强大的力量，2）CMP的大离域系统和层间π-π相互作用导致复合物之间的有效电子传输和3）NH2多膜碳纳米管的高电导率作为CMP的电子转移通道，从而提高了电导率和灵敏度。在CMP和NH2多壁碳纳米管集成系统中，可以假设具有高表面积和电导率的混合材料可以确保有效的气体吸附和电子转移，以实现高性能的化学电阻气体传感。此外，大多数共轭聚合物主要通过色散力或偶极-偶极相互作用吸附气体分子，这不足以实现材料和气体分子之间的有效电荷转移。构建更强的相互作用，如氢键或离子偶极子与目标气体分子的相互作用是一种有前景的方法。Lu等人通过方酸和邻苯二胺在回流条件下的反应制备了一种对NO2具有高灵敏度的线性共轭聚合物，对聚苯方卡因（p-PPS）。已经证明，方酸以其独特的两性离子共振结构提供了一个曲折的骨架，并扩展了π共轭，这有利于增强电荷转移和提高传感性能。随后，He等人通过乙酸催化邻二氯苯中方酸和1,3,5-三（4-氨基苯基）苯之间的溶剂热缩合，构建了一种对NO2具有高选择性的方酸基COF（SA-TAPB）。结果表明，SA-TAPB和NO22的可逆吸附和解吸，从而提高了传感性能。因此，方酸基CMP具有作为有效传感材料的潜力，因为它们的大离域系统和π-π相互作用有效地增强了电荷转移，而它们与NO2本文亮点
1. 本工作合成了三种典型的CMP（PSATA、PSATB和PSATT），并首次研究了它们的化学电阻气敏性能。为了进一步提高性能，在氨基官能化多壁碳纳米管（NH2-MWCNT）的表面修饰PSATT以提高导电性。
2. 所获得的材料PSATT-7NC对4 ppm NO2表现出9766%的高灵敏度，是原始PSATT的2.5倍。它还表现出显著的选择性和优异的长期稳定性。
3. 在所有基于聚合物的传感器中，最低检测限（0.79 ppb）是在100°C的低工作温度下实现的。
图文解析
图3. a） 形成PSATA、PSATB和PSATT的合成路线，b）PSATT和PSATT-7NC的傅里叶变换红外光谱，c）固态PSATT和PSA TT nNC（n=3,5,7,10）的紫外-可见吸收光谱，d）PSATA、PSA TB、PSATT和PSATT-7NC的能带，e）PSATT nNC的I-V曲线（n=3,5,7,10），f）N2吸附和解吸等温线（77K），g）PSATA，PSATB，PSATT和PSATT-nNC（n=3,5,7,10）的密度泛函理论孔径分布。
来源：华算科技