基于石墨烯/In2O3的集成脉冲驱动二氧化氮传感器的报警器原型

1成果简介

二氧化氮严重威胁人类健康和生态环境。然而，如何制造具有快速响应/恢复率、低检测限和易于集成的高灵敏度二氧化氮传感器仍是一项挑战。本文，吉林大学高原 教授团队在《ACS Sens》期刊发表名为“Prototype Alarm Integrating Pulse-Driven Nitrogen Dioxide Sensor Based on Holey Graphene Oxide/In2O3”的论文，研究采用氧化石墨烯（HGO）对 In2O3 纳米片进行功能化，利用其快速载流子传输和丰富的活性位点来构建二氧化氮气体传感器。表征和理论计算证实了HGO修饰在二氧化氮传感中的优势。

最佳样品（0.5wt% HGO/In2O3-sheet）表现出卓越的传感性能，与GO/In2O3相比，对1ppm二氧化氮的响应提高了 1.37倍。气体传感动力学分析表明，其活化能更低，动力学速率常数更高。重要的是，利用脉冲温度调制将气体吸附与表面活化过程分离开来，使 0.5wt % HGO/In2O3 片状传感器对1ppm二氧化氮的响应达到2776的超高响应。与等温模式相比，这种策略将响应值提高了1.6 倍，响应/恢复时间缩短了 33%/70%，并能检测低至1ppb的二氧化氮浓度。最后，基于0.5wt% HGO/In2O3片状传感器和脉冲温度调制的二氧化氮监测报警系统得到了验证，可用于危险警报。

2图文导读

图1：(a) HGO/In2O3 的合成示意图；(b) 脉冲驱动 HGO/In2O3 气体传感器与电池和传感器系统警报原型集成的示意图。

图2：(a) HGO的形成机理示意图以及 GO 和 HGO 的水分散体照片；(b) GO 和 (c) HGO 的 TEM 图像；(d) 拉曼光谱；(e) In2O3-sheet、0. 5 wt % GO/In2O3-sheet 和 0.5 wt % HGO/In2O3-sheet；(f) HGO/In2O3-sheet；(g) 0.5 wt % GO/In2O3-sheet 和 (h) 0.5 wt % HGO/In2O3-sheet 的 SEM、TEM 和 HRTEM 图像。

图3：（a）拉曼光谱；（b）紫外可见光谱；（c）(αhν)2 vs 光子能量 (hν) 曲线；（d）N2 吸附-解吸等温线；（e）宽扫描 XPS 勘测光谱；（f）C 1s；（g）In 3d；（h）O 1s。

图4. (a) Ea 和 (b) Q 与浓度对数的关系；(c) 响应/恢复曲线；(d) 电化学阻抗光谱；(e) HGO 和 In2O3 片的功函数；(f) (f1) GO/In2O3 和 (f2) HGO/In2O3 的侧视表面吸附模型；(g) (g1) GO/In2O3 和 (g2) HGO/In2O3 吸附在 NO2 分子上的电子定位功能（ELF）。

图5：(a) 脉冲驱动气体传感器示意图；(b) 0.5 wt % HGO/In2O3 片状传感器在 PTM 模式下不同 HT 百分比下对 1 ppm NO2 的瞬态响应；(c) 提取的 PTM-LT 响应和(d) 响应/恢复时间与 HT 百分比的关系；(e) 提取的 PTM-LT 响应和(f) 不同 HT 百分比下的响应/恢复时间；(g) 0. (g) 0.5 wt % HGO/In2O3 薄膜传感器在 PTM-LT 和等温 LT 模式下对 1 ppm 二氧化氮的传感性能比较；(h) 二氧化氮浓度为 1 和 2 ppb 时的响应曲线；(i) 在 PTM-LT 模式下，传感器在不同相对湿度（20-90%）条件下对 1 ppm 二氧化氮的响应。

图6：（a）二氧化氮传感系统示意图和（b）照片；（c）在 PTM 模式下，0.5 wt % HGO/In2O3 片状传感器对 10-1000 ppb 二氧化氮的电阻响应曲线；（d）在模拟条件下的应用：安全浓度和过高浓度二氧化氮。

3小结

总之，我们提出了一种开发二氧化氮传感器的新方法，即通过水热法利用 HGO 和 GO 功能化 In2O3 纳米片。最佳气体传感器（0.5 wt % HGO/In2O3-sheet）对 1 ppm 二氧化氮的响应为 1859，与 0.5 wt % GO/In2O3-sheet 相比，对 1 ppm 二氧化氮的响应提高了 1.37 倍。通过构建气体吸附/解吸等温线来分析气体感应动力学。DFT 计算也证实，与 GO/In2O3 相比，HGO/In2O3 具有更强的吸附能和电子转移能力。重要的是，脉冲温度调制策略进一步提高了 0.5 wt % HGO/In2O3 片材的二氧化氮传感性能。与等温模式相比，0.5wt % HGO/In2O3 片状传感器实现了 2776 的超高响应，可检测到1ppb 的二氧化氮。最后，基于0.5wt% HGO/In2O3 片状传感器和脉冲温度调制的二氧化氮监测报警系统得到了验证，可用于环境监测和预警。这项研究为设计高灵敏度和快速的二氧化氮传感器奠定了基础，满足了环境监测和安全保障的需要。

文献：

https://doi.org/10.1021/acssensors.4c01647

来源：材料分析与应用