华南师大王耀教授课题组《ACS AMI》：室温下用于ppb级甲醛检测的大面积可见光驱动In₂O₃/石墨烯异质结

华南师范大学华南先进光电子研究院周国富教授团队王耀教授课题组在《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了一篇题为“Large-Area and Visible-Light-Driven Heterojunctions of In2O3/Graphene Built for ppb-Level Formaldehyde Detection at Room Temperature”的原创工作。王耀教授为论文通讯作者，课题组硕士研究生郭兰鹏为论文第一作者，华南师范大学为第一完成单位。

甲醛（HCHO）是毒性最大的室内污染物之一，世界卫生组织给出的HCHO允许暴露限值为80 ppb。因此，实现室内ppb级甲醛的准确检测是保障人们健康工作生活环境的迫切要求。针对传统甲醛传感器检测限高和工作温度高的问题，本工作提出了一种构建可见光驱动氧化铟（In2O3）/石墨烯（InAG）异质结的策略来实现ppb级室温甲醛传感。InAG异质结由5-氨基萘-1-磺酸功能化石墨烯（ANS/rGO）纳米片和超小尺寸In2O3纳米棒（平均直径3.2 nm）组成，基于InAG异质结的传感器被用于405 nm光照下的室温甲醛传感。

图1 InAG异质结和气体传感器的制备流程示意图

在405 nm可见光照（1 mW cm-2）下，基于InAG异质结的传感器表现出优异的室温HCHO传感性能，包括5 ppb的超低实际检测限、高响应值（Ra/Rg = 2.4，500 ppb）、相对较短的响应/恢复时间（119 s/179 s，500 ppb）、高选择性以及长期稳定性。超灵敏的室温HCHO传感性能来自于超小尺寸In2O3纳米棒和超分子功能化石墨烯纳米片之间的大面积可见光驱动异质结。

图2 （a）rGO、ANS/rGO、In2O3纳米棒、In2O3/rGO和InAG对500 ppb HCHO的响应。（b）InAG暴露于500 ppb HCHO前后的响应/恢复特性。（c）InAG暴露于不同浓度HCHO时的响应曲线和（d）响应与浓度之间的线性关系。（e）InAG在室温下对500 ppb HCHO的重复性和（f）每个循环对应的响应/恢复时间。（g）InAG传感器对500 ppb HCHO和10 ppm各种干扰气体的选择性。（h）在相对湿度20 ~ 90% RH范围内，传感器对100 ppb HCHO的响应。（i）传感器对100 ppb HCHO的长期稳定性。

为了验证制作的InAG基室温传感器在实际环境污染物检测中的实用性和可靠性，采用3 m3的模拟室内环境污染物测试舱进行实地检测（图3）。用酚试剂分光光度法对测试舱内的甲醛浓度进行了准确标定（标定值）。将传感器的响应带入拟合方程，得到相应的甲醛浓度（响应值）。可以看出，传感器的响应值与准确标定值吻合，说明传感器具有较高的精度和可靠性，在室内环境痕量甲醛检测中具有很大的应用前景。本工作为超灵敏室温 ppb级气体传感器的开发提供了有效的策略。

图3 （a）配备温湿度控制系统和空气采样器的3 m3测试舱用于模拟室内污染物环境。（b）传感器响应值与分光光度法标定值之间的相关性，插图为装有甲醛浓度分析试剂的比色管。

本研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、“111计划”、广东省光信息材料与技术重点实验室、广东省教育厅创新团队和广州市科技计划等项目的支持。

华南师范大学王耀教授带领的先进信息材料（AIM）课题组近年来在光、电、气体和温度等响应型功能信息和智能传感材料研究方面取得了一系列重要突破，先后在《Advanced Functional Materials》、《ACS Nano》、《Advanced Science》、《Small》、《Journal of Materials Chemistry A》、《ACS Applied Materials & Interfaces》、《ACS Sensors》等国际知名期刊上发表30余篇原创性学术论文，提升了华南师范大学在功能信息和智能传感材料领域的学术影响力。

课题组长期招聘博士后，每年招收博士/硕士生，专业要求：化学、材料等学科，研究功能高分子相关方向者优先考虑，咨询联系：wangyao@m.scnu.edu.cn；haoli@scnu.edu.cn

https://doi.org/10.1021/acsami.3c00218

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chem@chemshow.cn

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程及生物医学工程等产学研方面的稿件至chem@chemshow.cn，并请注明详细联系信息。化学与材料科学会及时选用推送。