由于人类活动导致的有害气体排放不断增加，已经演变成为一个严峻的问题，对全球生态系统构成紧迫威胁。为了应对这一挑战，开发用于气体传感器系统的先进材料，对于精确检测有害气体污染物而言至关重要。
据麦姆斯咨询报道，近期，安贝德卡尔大学（Dr. Babasaheb Ambedkar Marathwada University）、夸美纽斯大学（Comenius University）等机构的研究人员利用还原氧化石墨烯（rGO）-钌八乙基卟啉（Ru OEP）新型复合材料作为活性材料，制备出一种化学电阻式气体传感器装置。该传感器对一氧化碳（CO）气体具有出色的响应能力，检测限（LOD）低至2.5 ppm，具有快速响应时间（43 s）、恢复时间（65 s）以及长期使用的可靠性和稳定性。相关研究成果以“Enhanced CO sensing with highly sensitive and selective rGO-Ru OEP chemiresistive sensor”为题发表在Chemical Physics Impact期刊上。
图1 本研究工作的图片摘要
这项工作首次研究了Ru OEP与rGO复合材料用于检测CO的特性。基于sp²碳原子组成的rGO二维纳米结构是通过共价键快速传导电荷，经过rGO改性的Ru OEP有利于提高气体传感器的选择性，Ru OEP的核心金属离子和外围乙基有利于增强传感器的灵敏度和选择性。研究人员通过X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、紫外-可见光谱（UV-Vis）、拉曼光谱、傅立叶变换红外光谱（FTIR）和电流-电压（I-V）分析等多种表征方法，对所制备的rGO-Ru OEP复合材料性能进行了评估，验证了其用于化学电阻传感的优异特性。
图2 Ru OEP与rGO的传感机制示意图
研究人员将rGO-Ru OEP复合材料沉积在Si/SiO₂基底上间隙为3 µm的金微电极上，制备出一种双端传感器，在化学电阻模式下对双端传感器的传感特性进行了评估。结果表明，基于rGO-Ru OEP复合材料的化学电阻式气体传感器对CO的响应能力非常出色，检测限低至2.5 ppm，远低于美国职业安全与健康管理局（OSHA）建议的50 ppm允许暴露限值（PEL）。此外，该气体传感器响应时间和恢复时间分别为43 s和65 s，在长达80天的时间内具有较强的稳定性，且灵敏度高、重复性好、线性相关性高（R² = 0.99）。
图3 用于CO检测的动态气体传感系统方案
图4 （a）基于rGO-Ru OEP复合材料的传感器对CO的化学电阻响应：（a）50 ~ 300 ppm；（b）2.5 ~ 10 ppm
图5 基于rGO-Ru OEP复合材料的化学电阻式气体传感器的传感特性
这项研究突显了先进材料（尤其以rGO-Ru OEP复合材料为例）在制备高效气体传感器方面的潜力，对于应对环境和安全方面的紧迫挑战至关重要。该研究成果为快速发展的气体传感器技术提供了重要参考，并为更多创新解决方案的推出奠定了基础，未来有望有效减缓人类活动对脆弱生态系统造成的不良影响。
论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.chphi.2023.100419
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