摘要:一氧化氮(NO)是一种常见的人体呼出气标志物,可用于哮喘等呼吸道疾病的早期快速诊断,发展低浓度NO的室温气体传感材料具有重要的社会意义和科学意义。近日,华南师范大学王耀教授团队在《Talanta》期刊上发表了题为“Ferrocene-Decorated Gra
一氧化氮(NO)是一种常见的人体呼出气标志物,可用于哮喘等呼吸道疾病的早期快速诊断,发展低浓度NO的室温气体传感材料具有重要的社会意义和科学意义。近日,华南师范大学王耀教授团队在《Talanta》期刊上发表了题为“Ferrocene-Decorated Graphene Nanosheets built by Edge-to-Face π-π Interaction for Room Temperature ppb-level NO Sensing”的研究论文(DOI: )。该工作设计制备了基于“边对面”π-π堆积的二茂铁-石墨烯复合纳米片,用以实现高响应性、高选择性和高稳定性的NO室温传感。
本文要点
基于金属氧化物(MOS)的化学电阻式气敏传感材料与器件是目前NO传感的主要研究方向,但MOS的传感机理决定了其较高的工作温度(>150℃),这导致了高能耗和应用风险。近年来,许多研究者将金属化合物(包括金属氧化物、纳米金属颗粒、金属络合物分子等)与石墨烯等碳基二维材料通过分子间作用力进行复合,利用碳基材料的优良电学性能实现可回复的室温传感。在课题组前期工作中,选取血晶素(高铁卟啉,Hemin)与石墨烯复合,成功制备了具有NO特异性响应的室温气敏材料,但研究发现,该材料中的卟啉环易发生自堆叠现象,阻碍了作为活性位点的铁离子与NO的接触,使材料的气敏性能仍无法满足实际应用需求。
二茂铁作为一种常见的金属有机小分子,在催化、医药、农业等领域已有诸多应用。其所具有的双共轭环三明治结构,既可与大π键体系的石墨烯之间形成有效的π-π自组装,又不会因此阻挡中心铁离子作为接触位点,且其自身化学性质较为稳定。可以预见,选取二茂铁作为敏感材料与石墨烯复合,可有效地锚定铁离子于石墨烯片层的表面,通过电荷传递将其对NO的特异性响应反映至石墨烯电学性质的变化,最终实现复合材料对NO的高效传感。
本工作以二茂铁和石墨烯为原料,通过一步溶剂热法制备了二茂铁-石墨烯复合材料(Fc/rGO),并应用于化学电阻式NO室温传感。基于该材料的传感器件表现出稳定、高效的NO传感性能,且具有优异的选择性。
图1. Fc/rGO的制备过程。
室温条件下,Fc/rGO对1 ppm的NO的响应值为1.73倍,材料的实际检测限低至200 ppb,材料具有良好的可回复性、优秀的稳定性(40天内响应值损失低于4%)和优秀的气体选择性。通过对比实验和X射线光电子能谱(XPS)表征,我们发现二茂铁的引入使材料对一氧化氮的吸附能力增强,从而导致了材料对NO的高响应性,其中铁元素在NO的传感中发挥了特异性吸附的作用。通过密度泛函理论计算,证明二茂铁以“边对面”π-π堆积的方式与石墨烯复合,两者间相互作用使结合处的电子云密度显著增大,为传感过程中的电荷传递提供必要条件。
图2. (a) Fc/rGO的传感机理示意图;(b) Fc/rGO的NO传感性能图,分别为响应-回复曲线(1 ppm NO)和浓度梯度响应曲线。测试条件均为室温。
来源:华算科技