河北工業大學楊麗副研究員與美國賓夕法尼亞州立大學程寰宇助理教授Journal of Materials Chemistry A:利用激光誘導石墨烯成功研制出高靈敏度可穿戴氣體傳感器。

引? 言

有毒有害氣體不僅污染環境，同時對人身體產生極大的危害，非侵入式、實時連續的低濃度、高靈敏度的氣體監測，近年來成為可穿戴健康領域的研究重點。另一方面，二維氣體傳感材料的制備通常比較復雜，批量生產困難，同時需要配置額外的加熱器，加速氣體的吸附和脫附，增加了耗能和成本，制約了實時長期氣體監測的應用與發展。因此，研究如何實現低成本、大面積、環境友好、低功耗、結構簡單的高性能氣體傳感平臺的制備至關重要。

成果簡介

近日，河北工業大學楊麗副研究員與賓州州立大學程寰宇(Huanyu Cheng)助理教授，利用激光直寫技術，成功研制出具有自加熱功能的激光誘導石墨烯柔性氣體傳感平臺。該技術使用激光圖案化的類似石墨烯的高度多孔納米材料作為電極，以較具代表性的納米材料（還原氧化石墨烯、二硫化鉬或者兩者的組合；氧化鋅和氧化銅組成的金屬氧化物復合材料）作為氣體敏感材料，監測氣體、生物分子和化學物質。該平臺由多個傳感器陣列組成，每個傳感單元由LIG細線傳感區域和Ag/LIG的蛇形連接區域組成。在連接區域創建銀涂層的蛇形線條，通過向銀涂層施加電流，氣體感應區域由于電阻的逐漸增大而局部加熱，從而實現自加熱功能，替代了大多數可穿戴傳感器的插指電極和額外的加熱器，顯著降低了加工的復雜度和設備能耗。此外，蛇形線條的設計可以使傳感器像彈簧一樣拉伸，以適應身體的不同彎曲變化，實現了可穿戴性。該平臺在自加熱升溫條件下，可以實現對NO₂氣體的高選擇性、超低濃度的快速響應和恢復，檢測限可以達到1.2ppb。該成果以題為“Novel gas sensing platform based on a stretchable laser-induced graphene pattern with self-heating capabilities” 最近發表在《Journal of Materials Chemistry A》期刊上，并作為back cover 進行highlight 發表。

圖文導讀

Figure 1. 可穿戴氣體傳感平臺加工過程及可穿戴性示意圖

(a) 基于激光誘導石墨烯的氣體傳感平臺加工示意圖

(b) 氣體傳感平臺的可穿戴性示意圖

Figure 2. LIG及氣體傳感材料形貌和微觀結構

(a)LIG SEM圖

(b)LIG 拉曼圖

(c)rGO/MoS2“大花瓣”結構SEM圖

(d)rGO/MoS2“小花瓣”結構SEM圖

(e) -(f) “大花瓣”結構和“小花瓣”結構與LIG的納米復合結構SEM圖

Figure 3. LIG電極自加熱性能

(a)不同輸入電壓下傳感器自加熱溫度曲線

(b)不同尺寸的LIG電極I-V曲線

(c)電阻和電流隨時間的變化曲線

Figure 4. 不同溫度和寬度下的氣體傳感性能曲線

(a)自加熱到60°C時，“大花瓣”與“小花瓣”結構典型的氣體響應曲線

(b)“小花瓣”結構下，傳感器不同線寬的氣體響應曲線

(c)“大花瓣”結構的不同溫度下氣體響應曲線

(d)“小花瓣”結構的不同溫度下氣體響應曲線

Figure 5． 氣體傳感器的(a)動態特性;(b)重復性;(c)-(d)檢測限;(e)選擇性;(f)拉伸性能

總? 結

該智能傳感平臺對現有的可穿戴傳感器進行了改良，添加了增強靈敏度的自加熱機制，可實現氣體的快速恢復和重復使用，其它同類型設計則需要單獨的加熱器。同時，相較與其它可穿戴傳感器需要在無塵環境中光刻加工，成本高昂且耗時長，該傳感平臺僅需在機械車間中常見的二氧化碳激光器即可以實現批量制造。該平臺在顯示超低濃度、高靈敏度、可拉伸的同時，兼具低成本、大規模制備等優勢，可用于監測人體氣體生物標志物以及可能對肺部造成損傷的環境污染物，或將很快投入商用，開拓了基于激光誘導石墨烯的可穿戴電子器件在氣體傳感領域的廣闊應用。

文獻鏈接：https://pubsrsc.xilesou.top/en/content/articlelanding/2020/ta/c9ta07855j/unauth，Journal of Materials Chemistry A, 2020, DOI：?10.1039/C9TA07855J.

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