背景介紹

核能被公認為是一種清潔和可持續(xù)的能源，對于解決全球能源困境至關重要。然而，核反應堆的運行引發(fā)了安全問題，包括產生揮發(fā)性放射性物質。其中，碘同位素，特別是129I和131I，以其氣態(tài)分子形式（I2），是嚴重危害人類健康和環(huán)境的主要危害。目前核電站和環(huán)境監(jiān)測站的碘檢測方法繁瑣，通常不是實時進行的，而且需要笨重的設備。因此，開發(fā)能夠快速識別低濃度I2的便攜式碘氣體傳感器對于保障人類健康、保護核設施和保護環(huán)境至關重要。

理想的氣體傳感材料應該對目標氣體表現出特定的吸附作用，并具有獨特的信號放大機制，以確保高選擇性和靈敏度?？焖偾铱赡娴匚侥繕藲怏w對于實現傳感器運行期間的快速響應和恢復也至關重要。人們已經探索了各種傳感材料和機制來開發(fā)碘氣體傳感器。具有優(yōu)異加工性能的聚合物材料已被用于通過電導率或熒光變化來檢測I2。然而，導電聚合物通常表現出有限的靈敏度，檢測閾值為百萬分率 (ppm) 級，而熒光聚合物盡管靈敏度高，但也面臨檢測精度低和不可重復使用的缺點。納米多孔骨架材料，例如金屬有機骨架 (MOF) 和共價有機骨架 (COF)，可以通過專門促進I2吸附來增強傳感器的靈敏度和選擇性，但它們受限的微孔結構阻礙了I2分子的擴散，導致響應和恢復時間較長。此外，銀 (Ag) 粒子通常被摻入I2傳感材料中作為活性中心，與I2反應形成碘化銀 (AgI)，從而產生傳感信號。然而，由于這種反應不可逆，基于 Ag 的I2傳感器通常缺乏可重復使用性，或者需要高溫和長時間才能恢復。目前，開發(fā)兼具高靈敏度和選擇性以及快速響應和恢復能力的I2氣體傳感器仍然是一項重大挑戰(zhàn)。

石墨烯表現出幾種適用于氣體傳感的理想特性，例如大表面積、高載流子遷移率和零帶隙。從理論上講，即使石墨烯上吸附的物質數量極少，也能引起其電子特性的迅速而顯著的變化，從而產生顯著的傳感信號。然而，原始石墨烯被發(fā)現不適合用于傳感應用，這主要歸因于其對特定分子的低選擇性以及由于 π?-?π 相互作用而容易聚集，導致可用表面積顯著減少。在實際應用中，石墨烯通常會進行表面改性以增強其分散性，而不會損害其固有的電子特性。還原氧化石墨烯 (rGO) 是最常用的石墨烯替代品，因其與石墨烯相似的特性和可大規(guī)模使用而受到青睞。盡管對采用石墨烯或 rGO 的傳感器進行了廣泛的研究，但它們在 I2傳感中的應用仍未得到充分探索。

本文亮點

1. 本工作設計并制備了一種三組分傳感材料，包括還原氧化石墨烯 (rGO) 作為底物、碘化銀 (AgI) 顆粒作為活性位點和聚苯乙烯磺酸鹽作為添加劑。

2.AgI 顆粒能夠實現 I2 分子的可逆吸附和轉化為多碘化物，從而引起 rGO 中電荷密度的顯著變化。這種機制有助于實現卓越的靈敏度和選擇性、超快的響應和恢復時間以及室溫操作。

3.利用這種材料制造的多功能傳感器原型實現了最快的報告響應/恢復時間（動態(tài)模式下為 22/22 秒，靜態(tài)模式下為 4.2/11 秒）和 25 ppb 的檢測限，超過了職業(yè)安全與健康管理局 (OSHA) 和國家職業(yè)安全與健康研究所 (NIOSH) 設定的標準，同時優(yōu)于商用 I2 氣體傳感器。

圖文解析

圖1. 碘氣體傳感材料的設計原理。

a 優(yōu)化的石墨烯原子結構和能帶結構。石墨烯/I2 (b)、石墨烯/I3 (c) 和石墨烯/I5 (d) 在 0.001 e/Bohr3 等值面處的電荷密度差異圖和能帶結構。棕色和紫色球體分別代表碳和碘原子。黃色區(qū)域表示電子積累，而青色區(qū)域代表電子缺乏。e 設計的復合材料上 I2 傳感的激活、響應和恢復過程示意圖。紫色、紅色和藍色原子分別用于區(qū)分I2、I3 和 I5。

圖2. 碘傳感過程的原位表征。

a 原位拉曼光譜和 XRD 設置的示意圖。b 說明 Ag-PSS-rGO 復合材料上 I2 氣體傳感過程的各個階段的圖表。數字 ①?⑥ 表示收集原位 XRD 和拉曼數據的點。c 原位 XRD 曲線和 d 原位拉曼光譜，在交替暴露于I2 蒸汽和空氣期間收集，對應于 b 中標記的階段?？偭魉贋槊糠昼?200 標準立方厘米 (sccm)，I2 蒸汽濃度為 75 ppm。淺色、嘈雜的曲線表示原始數據，而深色、平滑的曲線對應于擬合后獲得的精煉數據。

圖3. AgI-PSS-rGO 傳感器模塊的性能評估。

a 室溫下的動態(tài) I2 氣體傳感：i AgI-PSS-rGO、PSS-rGO 和 rGO 傳感器模塊在 50 ppm I2 氣體下的響應-恢復曲線。ii 在暴露于和去除 75 ppm I2 氣體后，AgI-PSS-rGO 的連續(xù) 20 個循環(huán)響應-恢復曲線。iii I2 濃度從 75 ppm 到 250 ppb 不等時，AgI-PSS-rGO 的連續(xù)響應-恢復曲線。iv 響應值與I2 濃度的對應圖。b 室溫下靜態(tài) I2 氣體感應：i I2 濃度為 200 ppm 時 AgI-PSS-rGO 的響應-恢復曲線。ii 在暴露于和去除 200 ppm I2 氣體后，AgI-PSS-rGO 的連續(xù) 20 個循環(huán)響應-恢復曲線。iii I2 濃度從 200 ppm 到 25 ppb 不等時，AgI-PSS-rGO 的連續(xù)響應-恢復曲線。iv 響應值與 I2 濃度的對應圖。c 對 AgI-PSS-rGO 進行為期十周的老化測試，每兩周檢查一次，I2 濃度為 200 ppm。d AgI-PSS-rGO 對 I2 和其他干擾氣體（包括 Cl2、NO2、SO2、H2S、乙醇、丙酮、CH3I、H2 和 N2）的響應。為了便于比較，傳感響應表示為氧化氣體的響應 (%) = (Ra???Rg)/Ra × 100，還原氣體的響應 (%) = (Rg???Ra)/Rg × 100。e AgI-PSS-rGO 與 16 種先前報道的 I2 氣體傳感器在檢測限 (LoD)、工作溫度 (Temp)、響應時間 (tres) 和恢復時間 (trec) 方面的比較。a–c 中的誤差線表示五個測量周期的標準偏差。

圖4. I2 氣體傳感器原型的制造和評估。

a 原型的工作原理和印刷電路板布局。ADC 模擬數字轉換器、DAC 數字模擬轉換器、MCU 微控制器單元、LCD 液晶顯示器。b 原型的特點，包括針對溫度和濕度影響的預校準、用于全面實時測量的適應性用戶界面以及將數據無線傳輸到 PC 終端。c 原型和兩種商用 I2 氣體傳感器在檢測 50 ppm I2 氣體時的響應和恢復時間比較。d 傳感器在不同 I2 濃度（40 ppb-50 ppm）下的讀數，表明原型能夠檢測到低于 100 ppb 的 I2 水平，這是商用傳感器無法實現的。e 測試地點的照片和三個傳感器顯示的測量I2 濃度。室內的實際 I2濃度為 60 ppb，只有我們的傳感器才能準確檢測到。b 中的誤差線表示五個測量周期的標準偏差。

審核編輯 黃宇