宾夕法尼亚州立大学程寰宇/美国东北大学祝红丽课题组Mater. Today Chem.：基于复合纳米材料的高灵敏柔性气体传感器

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柔性传感器以及可穿戴式设备已经成为了近期的研究热点，生物电信号、温度、以及汗液传感器已经被研究人员广泛研究。而与柔性可穿戴气体传感器相关的研究还较少，主要的阻碍包含气敏材料对工作温度的要求，气体响应信号与应变产生噪音的剥离，以及对气体检测的快速响应与恢复。目前大部分电阻式气体传感器的工作温度较高，能耗较大，且制备的工艺较复杂。

针对这些问题，来自美国宾夕法尼亚州立大学的程寰宇课题组和来自美国东北大学的祝红丽课题组近期通过在还原氧化石墨烯上可控生长二硫化钼（MoS₂@rGO）形成敏感材料，利用蛇形导线和应变隔离的设计，成功制作了可拉伸的二氧化氮气体传感器。同时利用具有3D多孔结构的激光诱导石墨烯作为电极与加热装置，将MoS₂@rGO复合材料涂抹其上，制备了具有自加热性能的可拉伸二氧化氮气体传感器，大大简化了可穿戴气体传感器的制作工艺和增强了实用性。在该项工作中详细比较分析了这两种可拉伸气体传感器的传感性能如灵敏度、检测限、响应/恢复速率等，探究了敏感材料和测量电极的构造对提升传感信噪比，提升检测极限的规律。

图1. MoS₂@rGO复合纳米材料的制备方法与微观结构。a) 合成过程示意图，b-d) 不同尺寸的MoS₂@rGO复合纳米材料的扫描电子显微镜照片。

首先，作者表征了MoS₂@rGO复合纳米材料的微观结构与气敏特性。MoS₂@rGO复合纳米材料的制备应用了溶剂热法，在二维片层的rGO上原位生长MoS₂纳米粒子，并在反应溶剂无水乙醇的体系中添加不同尺寸的氯化钠晶体颗粒，可以实现对所形成MoS₂@rGO复合纳米材料的形貌控制（图1）。这是因为氯化钠晶体不溶于乙醇，却能溶于水，随着添加氯化钠晶体的尺寸逐渐变小，MoS₂@rGO复合材料的尺寸也随着溶剂中氯化钠晶体颗粒间的空间变小而变小，最终制备得到的MoS₂@rGO复合物比表面积相应提高。通过球磨法调控氯化钠晶体尺寸，从而实现对MoS₂@rGO复合纳米材料的可控制备。将该气敏材料滴在叉指电极上，气体传感器的信号噪音比随着MoS₂@rGO复合材料的尺寸变小而从22.4提高到60.4（图2），归功于更为精细的纳米材料与电极可以形成更好的接触。

图2.不同尺寸的MoS₂@rGO复合纳米材料对1 ppm二氧化氮的响应。a) 合成过程中未添加氯化钠晶体，b）合成过程中添加未研磨的氯化钠晶体，c）合成过程中添加了经过研磨的氯化钠晶体，d）合成过程中添加了经过研磨的超精细氯化钠晶体。

随后，作者将MoS₂@rGO复合纳米材料滴在利用紫外激光切割而成的聚酰亚胺/金叉指电极，将电极整合在柔软的Ecoflex基底上并将电极通过蛇形蜿蜒的导电层连接至万用表，从而制备了柔性可拉伸气体传感器。该柔性传感器可以适应各种弯曲表面，并能承受20%的拉伸应变（图3）, 同时在拉伸的状态下能获得更低的检测限（5.6 ppb）。

图3.基于MoS₂@rGO复合纳米材料的柔性气体传感器可以适应不同的形变（图a-c）并避免在形变中出现损坏，最多可以承受20%的拉伸应力（图d），并且在拉伸的状态下具有更低的检测限（图e）。

最后，作者为了简化气体传感器的结构，使用了激光诱导石墨烯同时作为电极材料和加热器，制备了基于MoS₂@rGO复合纳米材料的NO₂传感器。激光诱导石墨烯可以较为方便的通过CO₂激光烧蚀商用聚酰亚胺薄膜制备，随后选择性的在激光诱导石墨烯局部滴加纳米银墨水和MoS₂@rGO复合纳米材料完成柔性气体传感器的制备。通过控制激光诱导石墨烯的几何尺寸来调控传感器的性能，当其长度为2 mm，宽度为75ｕm时，所制备的气体传感器能够在外接测量电路提供电压时自加热到60 ℃，显著加快气体传感器的响应和恢复速度，并且维持极为出色的信号噪音比（1026.9）。

图4.基于MoS₂@rGO复合纳米材料的柔性气体传感器可以适应不同的形变（图a-c）并避免在形变中出现损坏，最多可以承受20%的拉伸应力（图d），并且在拉伸的状态下，具有更低的检测限(图e)。

本论文的第一作者为宾夕法尼亚州立大学的衣宁博士，美国东北大学和华南理工大学联合培养的程峥博士，和厦门大学的李寒博士。该工作目前在线发表于领域著名期刊Materials Today Physics 。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542529320300894

来源：材料科学与工程

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