华南师范大学王耀教授团队《Talanta》

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。