基于rGO-Ru OEP的化學(xué)電阻式CO氣體傳感器設(shè)計

由于人類活動導(dǎo)致的有害氣體排放不斷增加，已經(jīng)演變成為一個嚴(yán)峻的問題，對全球生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成緊迫威脅。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，開發(fā)用于氣體傳感器系統(tǒng)的先進(jìn)材料，對于精確檢測有害氣體污染物而言至關(guān)重要。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，安貝德卡爾大學(xué)（Dr. Babasaheb Ambedkar Marathwada University）、夸美紐斯大學(xué)（Comenius University）等機(jī)構(gòu)的研究人員利用還原氧化石墨烯（rGO）-釕八乙基卟啉（Ru OEP）新型復(fù)合材料作為活性材料，制備出一種化學(xué)電阻式氣體傳感器裝置。該傳感器對一氧化碳（CO）氣體具有出色的響應(yīng)能力，檢測限（LOD）低至2.5 ppm，具有快速響應(yīng)時間（43 s）、恢復(fù)時間（65 s）以及長期使用的可靠性和穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果以“Enhanced CO sensing with highly sensitive and selective rGO-Ru OEP chemiresistive sensor”為題發(fā)表在Chemical Physics Impact期刊上。

圖1 本研究工作的圖片摘要

這項工作首次研究了Ru OEP與rGO復(fù)合材料用于檢測CO的特性。基于sp2碳原子組成的rGO二維納米結(jié)構(gòu)是通過共價鍵快速傳導(dǎo)電荷，經(jīng)過rGO改性的Ru OEP有利于提高氣體傳感器的選擇性，Ru OEP的核心金屬離子和外圍乙基有利于增強(qiáng)傳感器的靈敏度和選擇性。研究人員通過X射線衍射（XRD）、原子力顯微鏡（AFM）、紫外-可見光譜（UV-Vis）、拉曼光譜、傅立葉變換紅外光譜（FTIR）和電流-電壓（I-V）分析等多種表征方法，對所制備的rGO-Ru OEP復(fù)合材料性能進(jìn)行了評估，驗證了其用于化學(xué)電阻傳感的優(yōu)異特性。

圖2 Ru OEP與rGO的傳感機(jī)制示意圖

研究人員將rGO-Ru OEP復(fù)合材料沉積在Si/SiO?基底上間隙為3 μm的金微電極上，制備出一種雙端傳感器，在化學(xué)電阻模式下對雙端傳感器的傳感特性進(jìn)行了評估。結(jié)果表明，基于rGO-Ru OEP復(fù)合材料的化學(xué)電阻式氣體傳感器對CO的響應(yīng)能力非常出色，檢測限低至2.5 ppm，遠(yuǎn)低于美國職業(yè)安全與健康管理局（OSHA）建議的50 ppm允許暴露限值（PEL）。此外，該氣體傳感器響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別為43 s和65 s，在長達(dá)80天的時間內(nèi)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，且靈敏度高、重復(fù)性好、線性相關(guān)性高（R2 = 0.99）。

圖3 用于CO檢測的動態(tài)氣體傳感系統(tǒng)方案

圖4 （a）基于rGO-Ru OEP復(fù)合材料的傳感器對CO的化學(xué)電阻響應(yīng)：（a）50 ~ 300 ppm；（b）2.5 ~ 10 ppm

圖5 基于rGO-Ru OEP復(fù)合材料的化學(xué)電阻式氣體傳感器的傳感特性

這項研究突顯了先進(jìn)材料（尤其以rGO-Ru OEP復(fù)合材料為例）在制備高效氣體傳感器方面的潛力，對于應(yīng)對環(huán)境和安全方面的緊迫挑戰(zhàn)至關(guān)重要。該研究成果為快速發(fā)展的氣體傳感器技術(shù)提供了重要參考，并為更多創(chuàng)新解決方案的推出奠定了基礎(chǔ)，未來有望有效減緩人類活動對脆弱生態(tài)系統(tǒng)造成的不良影響。

審核編輯：劉清