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吉林大學Yuan Gao課題組--基于多孔氧化石墨烯/In2O3的脈沖驅(qū)動二氧化氮傳感器報警原型

二氧化氮嚴重威脅著人類健康和生態(tài)環(huán)境。然而，制造具有快速響應/回收率，低檢測限和易于集成的高靈敏度二氧化氮傳感器仍然是一個挑戰(zhàn)。利用其快速載流子轉(zhuǎn)移和豐富的活性位點，采用多孔氧化石墨烯(HGO)對In₂O₃納米片進行功能化，構(gòu)建NO₂氣體傳感器。
表征和理論計算證實了HGO修飾在NO₂傳感中的優(yōu)點。最佳樣品，0.5 wt %的HGO/In₂O₃薄片，表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感性能，與對應的GO/In₂O₃相比，對1 ppm NO₂的響應提高了1.37倍。氣敏動力學分析表明，其活化能較低，動力學速率常數(shù)較高。重要的是，采用脈沖溫度調(diào)制將氣體吸附與表面活化過程解耦，對于0.5 wt %的HGO/ In₂O₃片傳感器，實現(xiàn)了2776到1 ppm NO₂的超高響應。與等溫模式相比，該策略的響應值提高了1.6倍，響應/恢復時間縮短了33%/70%，可以檢測到低至1 ppb的NO₂濃度。最后，基于脈沖溫度調(diào)制的0.5 wt % HGO/ In₂O₃片傳感器，演示了一種NO₂監(jiān)測報警系統(tǒng)的危害預警功能。

圖1. (a) HGO/In₂O₃合成示意圖;(b)脈沖驅(qū)動的HGO/In₂O₃氣體傳感器的原理圖，該傳感器系統(tǒng)集成了電池和警報原型。

圖2. (a)氧化石墨烯形成機理示意圖以及氧化石墨烯和氧化石墨烯的水相分散體照片;(b) GO和(c) HGO的TEM圖像;(d)拉曼光譜;(e) In₂O₃-sheet, 0.5 wt % GO/In₂O₃-sheet和0.5 wt % HGO/In₂O₃-sheet的XRD譜圖;(f) HGO / In₂O₃-sheet;(g) 0.5 wt % GO/In₂O₃-sheet和(h) 0.5 wt % HGO/In₂O₃-sheet的SEM, TEM和HRTEM圖像。

圖3. (a)拉曼光譜; (b)紫外-可見光譜; (c)(αhν)²對光子能量(hν)的曲線; (d) N2吸附-解吸等溫線; (e)寬掃描 XPS 測量光譜的 XPS 光譜; (f) C1s; (g) In 3d; (h) O1s。

圖4. 基于(a) In₂O₃片，0.5 wt% GO/In₂O₃片和0.5 wt% HGO/In₂O₃片的傳感器對1 ppm NO₂的溫度依賴性響應; (b) HGO/In₂O₃片; (c-e)濃度梯度響應-恢復曲線; (f)在傳感器的不同濃度梯度下的響應。

圖5. (a) Ea和(b) Q與濃度對數(shù)的關(guān)系;(c)響應/恢復曲線;(d)電化學阻抗譜(EIS);(e) HGO與In₂O₃-sheet的功函數(shù);(f) (f1) GO/In₂O₃和(f2) HGO/In₂O₃的側(cè)視圖表面吸附模型;(g) (g1) GO/In₂O₃和(g2) HGO/In₂O₃吸附在NO₂分子上的電子定位函數(shù)(ELF)。

圖6. (a)在62.5 ℃下對各種氣體的響應; (b)5個循環(huán)的重復性曲線; (c)基于 In₂O₃-片，0.5 wt% GO/In₂O₃-片和0.5 wt% HGO/In₂O₃-片的氣體傳感器在30天內(nèi)對1 ppm NO₂的響應。

圖7. (a)脈沖驅(qū)動氣體傳感器示意圖;(b)在PTM模式下，不同HT百分比下，0.5 wt % HGO/ In₂O₃薄片傳感器對1 ppm NO₂的瞬態(tài)響應;(c)提取的PTM-LT響應和(d)響應/恢復時間與HT百分比的關(guān)系;(e)不同HT百分比下提取的PTM-LT響應和(f)響應/恢復時間;(g) 0.5 wt % HGO/ In₂O₃薄片傳感器對PTM-LT和等溫LT中1ppm NO₂的傳感性能的比較;(h) 1和2ppb NO₂下的響應曲線和(i)不同相對濕度(20-90%)下PTM-LT模式下傳感器對1ppm NO₂的響應。

圖8.(a)二氧化氮感應系統(tǒng)示意圖及(b)照片;(c) PTM模式下，0.5 wt % HGO/ In₂O₃薄片傳感器對10-1000 ppb NO₂的電阻響應曲線;(d)模擬條件下的應用:安全濃度和過量濃度的NO₂。

相關(guān)研究成果由吉林大學Yuan Gao課題組2024年發(fā)表在ACS Sensors (鏈接：https://doi.org/10.1021/acssensors.4c01647)上。原文：Prototype Alarm Integrating Pulse-Driven Nitrogen Dioxide Sensor Based on Holey Graphene Oxide/In2O3

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號



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