二氧化氮严重威胁着人类健康和生态环境。然而，制造具有快速响应/回收率，低检测限和易于集成的高灵敏度二氧化氮传感器仍然是一个挑战。利用其快速载流子转移和丰富的活性位点，采用多孔氧化石墨烯(HGO)对In₂O₃纳米片进行功能化，构建NO₂气体传感器。
表征和理论计算证实了HGO修饰在NO₂传感中的优点。最佳样品，0.5 wt %的HGO/In₂O₃薄片，表现出优异的传感性能，与对应的GO/In₂O₃相比，对1 ppm NO₂的响应提高了1.37倍。气敏动力学分析表明，其活化能较低，动力学速率常数较高。重要的是，采用脉冲温度调制将气体吸附与表面活化过程解耦，对于0.5 wt %的HGO/ In₂O₃片传感器，实现了2776到1 ppm NO₂的超高响应。与等温模式相比，该策略的响应值提高了1.6倍，响应/恢复时间缩短了33%/70%，可以检测到低至1 ppb的NO₂浓度。最后，基于脉冲温度调制的0.5 wt % HGO/ In₂O₃片传感器，演示了一种NO₂监测报警系统的危害预警功能。
 
 
图1. (a) HGO/In₂O₃合成示意图;(b)脉冲驱动的HGO/In₂O₃气体传感器的原理图，该传感器系统集成了电池和警报原型。
 
 
图2. (a)氧化石墨烯形成机理示意图以及氧化石墨烯和氧化石墨烯的水相分散体照片;(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的XRD谱图;(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对光子能量(hν)的曲线; (d) N2吸附-解吸等温线; (e)宽扫描 XPS 测量光谱的 XPS 光谱; (f) C1s; (g) In 3d; (h) O1s。
 
 
图4. 基于(a) In₂O₃片，0.5 wt% GO/In₂O₃片和0.5 wt% HGO/In₂O₃片的传感器对1 ppm NO₂的温度依赖性响应; (b) HGO/In₂O₃片; (c-e)浓度梯度响应-恢复曲线; (f)在传感器的不同浓度梯度下的响应。


 
图5. (a) Ea和(b) Q与浓度对数的关系;(c)响应/恢复曲线;(d)电化学阻抗谱(EIS);(e) HGO与In₂O₃-sheet的功函数;(f) (f1) GO/In₂O₃和(f2) HGO/In₂O₃的侧视图表面吸附模型;(g) (g1) GO/In₂O₃和(g2) HGO/In₂O₃吸附在NO₂分子上的电子定位函数(ELF)。
 
 
 
图6. (a)在62.5 ℃下对各种气体的响应; (b)5个循环的重复性曲线; (c)基于 In₂O₃-片，0.5 wt% GO/In₂O₃-片和0.5 wt% HGO/In₂O₃-片的气体传感器在30天内对1 ppm NO₂的响应。
 
 
图7. (a)脉冲驱动气体传感器示意图;(b)在PTM模式下，不同HT百分比下，0.5 wt % HGO/ In₂O₃薄片传感器对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)不同HT百分比下提取的PTM-LT响应和(f)响应/恢复时间;(g) 0.5 wt % HGO/ In₂O₃薄片传感器对PTM-LT和等温LT中1ppm NO₂的传感性能的比较;(h) 1和2ppb NO₂下的响应曲线和(i)不同相对湿度(20-90%)下PTM-LT模式下传感器对1ppm NO₂的响应。
 
 
图8.(a)二氧化氮感应系统示意图及(b)照片;(c) PTM模式下，0.5 wt % HGO/ In₂O₃薄片传感器对10-1000 ppb NO₂的电阻响应曲线;(d)模拟条件下的应用:安全浓度和过量浓度的NO₂。
 
        相关研究成果由吉林大学Yuan Gao课题组2024年发表在ACS Sensors (链接：https://doi.org/10.1021/acssensors.4c01647)上。原文：Prototype Alarm Integrating Pulse-Driven Nitrogen Dioxide Sensor Based on Holey Graphene Oxide/In2O3

转自《石墨烯研究》公众号