先进的聚合物/无机纳米杂化物:气体传感应用的集成平台-NOx

先进的聚合物/无机纳米杂化物:气体传感应用的集成平台

(Chemosphere  IF=8.9)

在众多温室气体中，二氧化氮(NO2)被世界卫生组织(WHO)认定为最危险、最有毒和最危险的空气污染物之一(W. He, Zhao and Xiong, 2020)。二氧化氮是一种具有刺激性气味的红棕色气体，通常由于汽车尾气、化石燃料、火力发电厂、爆炸物爆炸、金属精炼工业、推进剂点火、食品加工等而释放到大气中。NO2的释放会对环境造成不利影响，如酸雨、臭氧和光化学烟雾的形成。除此之外，即使暴露在较低浓度的二氧化氮中也会对人类健康产生严重影响，包括呼吸道刺激、肺气肿、哮喘、支气管炎恶心、肺癌、瘫痪，甚至死亡. NO2也被确定为诊断胃和肺部疾病的生物标志物。因此，迫切需要研制一种选择性强、灵敏度高、可靠、稳定的室温NO2气体传感器，用于临床诊断和环境保护。

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例如，Umar和同事研究了基于聚苯胺-氧化银-氧化石墨烯(PANI-Ag2O-GO)的纳米混合传感器的NO2传感能力。为了制备复合传感器，将分散在去离子水中的石墨烯和PANI/Ag2O溶液混合在一起。然后将制备好的混合物通过滴干法放置在固定在氧化铝陶瓷芯片上的铂微电极上(互指电极)。复合传感器的传感性能由计算机表征仪估计。目标气体通过气瓶暴露在传感器上，测量结果由数据采集系统记录下来。结果表明，当在100◦C下暴露于25ppm NO2时，PANI- ag2o - go传感器(5.85)的响应比PANI(2.5)和PANI- ag2o(3.25)传感器高两倍。纳米复合传感器(PANI-Ag2O-GO)的气敏响应增强归因于吸附的NO2气体分子与纳米复合表面之间的电荷转移。吸附在PANI-Ag2O-GO表面的NO2分子解离为一氧化氮(NO)或氧化二氮(N2O)。PANI和Ag2O/GO之间形成的π -π共轭体系促进了NO2分子的解离，最终提供了巨大的π电子云和良好的电子传递路径。因此，该传感器是一种很好的低温NO2气体检测候选器件。

同样，利用聚苯胺(PANI)通过水热工艺和原位化学氧化聚合工艺制备了基于三氧化钨(WO3)的新型双层薄膜传感器。在掺氟氧化锡(FTO)玻璃衬底上研制了一种用于二氧化氮气敏的双层复合传感器。实验结果表明，当传感器在50◦C暴露于30 ppm NO2时，复合传感器的响应比纯WO3传感器高3倍。该复合传感器对NO2的检测下限为2ppm。复合传感器气敏性能的改善归因于(i) n型WO3和p型PANI之间p-n结的形成，(ii)更大的表面积，(iii)增加的氧空位，以及(iv)更宽的传导通道。

最近，赵和同事利用γ-聚(l-谷氨酸)(γ-PGA)的阻断效应来增强碳化钛(Ti3C2Tx)的NO2气敏性能。碳化钛纳米片经两步制备:(i)将碳化钛铝(Ti3AlC2)分散在氢氟酸水溶液(蚀刻溶液)中，(ii)加入四甲基氢氧化铵(TMAOH)水溶液进行插层。将Ti3C2Tx纳米片与γ-PGA水溶液混合制备了γ-PGA-Ti3C2Tx复合材料。然后将γ-PGA-Ti3C2Tx复合溶液喷涂在放置在柔性聚酰亚胺衬底上的金叉指电极上，制备出复合传感器。气体传感特性表明，γ-PGA-Ti3C2Tx复合传感器的响应率(1127.3%)比Ti3C2Tx传感器(13.2%)高85倍。此外，与Ti3C2Tx传感器(18.5 s和18.3 s)相比，合成的γ-PGA-Ti3C2Tx复合传感器不仅显示出更短的响应时间和恢复时间(43.4 s和3 s)，而且在室温下50% RH下表现出显著的重复性和可逆性。这种杰出的传感器响应与两个方面有关:(i)气体分子的有效吸附和(ii)水分子的阻挡效果增强。观察到γ-PGA膜表面通过吸附空气中的水分子形成了水膜。在较低浓度的NO2存在下，气体分子与水发生反应，产生NO3−和H+离子，最终降低了膜电阻。另一方面，当薄膜暴露在较高浓度的NO2中时，水分子和气体分子之间会相互竞争表面的吸附，最终产生阻塞效应，薄膜电阻增加。通过改变复合材料中Ti3C2Tx的含量，优化了这种竞争，进一步提高了气体传感能力。本研究提出了一种独特的通过γ-PGA改性来增强Ti3C2Tx气敏性能的方法。

2023/1/2

Zhang和同事通过改变各个组分的摩尔比，研究了PPy- NiO纳米杂化传感器的气敏性能。在PPy和NiO的最佳摩尔比下，复合传感器(PPy-NiO)的响应比裸NiO传感器高30倍，检测下限为49 ppb。在接触NO2前后，电子从PPy流向NiO导致空穴浓度发生较大变化，载流子迁移率增强。通过进一步增加聚吡咯的摩尔浓度来降低异质结电阻，最终导致所制备的纳米杂化传感器的灵敏度降低。因此，适量的聚吡啶对制备灵敏的NO2检测复合传感器至关重要。除NiO外，其他几种纳米材料，如SnO2 (Sakhare et al, 2021)、氧化石墨烯(Guettiche et al, 2021)、Fe2O3 (Wang et al, 2020a)等也被报道用于制备基于PPy的用于检测NO2气体的纳米杂化传感器。表2给出了不同聚合物纳米杂化物对NO2气体的传感性能。

转自：“科研一席话”微信公众号

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