二氧化氮（NO2）等氣體污染已成為現(xiàn)今環(huán)境與健康領(lǐng)域亟待解決的問題，開發(fā)可準(zhǔn)確、快速、高靈敏檢測(cè)低濃度氣體的氣體傳感器具有重要意義。還原氧化石墨烯（RGO）在制備高性能、低成本氣體傳感器方面具有潛力，但有三個(gè)問題限制了它的實(shí)際應(yīng)用：1）石墨烯氣體傳感器對(duì)多種氣體均有響應(yīng)，選擇性不佳；2）石墨烯片層容易產(chǎn)生堆疊、團(tuán)聚，導(dǎo)致氣體分子在石墨烯表面的吸附位點(diǎn)減少；3）將GO還原為RGO時(shí)，常用的還原劑（如氫醌、肼等）具有一定的毒性，帶來環(huán)境污染和操作安全性的問題。
基于此，中山大學(xué)吳進(jìn)副教授團(tuán)隊(duì)利用簡(jiǎn)便的自組裝法，以對(duì)人體友好的維生素C（VC）為還原劑，在相對(duì)溫和的條件（95℃、大氣壓）下，合成了VC修飾的三維石墨烯水凝膠（V-RGOH），并用于制備化學(xué)阻抗型氣體傳感器。VC無毒無害，一方面作為還原劑實(shí)現(xiàn)RGOH的生成，另一方面對(duì)RGO進(jìn)行了功能化修飾，顯著提升了傳感器的性能。三維多孔結(jié)構(gòu)顯著增大了比表面積，提供了大量的氣體吸附位點(diǎn)，有利于提升傳感器的靈敏度。此外，這項(xiàng)工作還利用植入的微加熱器探究了器件性能對(duì)溫度的依賴關(guān)系。
與水熱法得到的RGOH相比，該V-RGOH傳感器在檢測(cè)NO2和NH3時(shí)具有更高的靈敏度、更低的檢測(cè)極限以及更快的響應(yīng)/恢復(fù)速度。例如，RGOH和V-RGOH對(duì)NH3檢測(cè)的靈敏度分別為0.03 ppm-1和0.39 ppm-1。同時(shí)，V-RGOH的檢測(cè)極限低至0.42 ppm，優(yōu)于RGOH的6.4 ppm。三維多孔結(jié)構(gòu)提供了大量的氣體吸附位點(diǎn)；同時(shí)，VC分子上的羥基可與氣體分子形成氫鍵，使V-RGOH與氣體的相互作用得到了增強(qiáng)，提高了結(jié)合能，促進(jìn)了氣體吸附。此外，載流子也可以通過納米孔洞進(jìn)行hopping，促進(jìn)載流子的傳輸。
此外，在傳感器襯底的另一面集成了微加熱器，通過原位改變器件的工作溫度，考察氣敏行為的變化。發(fā)現(xiàn)溫度的升高削弱了靈敏度，但可以對(duì)恢復(fù)過程起到顯著的促進(jìn)作用。例如，檢測(cè)80 ppm的NH3時(shí)，將溫度從22 °C升高至57 °C，V-RGOH的響應(yīng)從22.7%降低至4.13%，但信號(hào)恢復(fù)百分比從75.2%提高至100%。
除了上述性能以外，V-RGOH傳感器還表現(xiàn)出良好的線性性、選擇性和較寬的檢測(cè)范圍。這項(xiàng)工作采用綠色合成的路線，將化學(xué)功能化與三維結(jié)構(gòu)調(diào)控相結(jié)合，揭示了其在制備高性能氣體傳感器方面的優(yōu)勢(shì)。
上述成果以“Green Synthesis of 3DChemically Functionalized Graphene Hydrogel for High-Performance NH3and NO2 Detection at Room Temperature”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials &Interfaces》期刊上，第一作者和通訊作者為中山大學(xué)吳進(jìn)副教授。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b18098
