引 言

有毒有害氣體不僅污染環(huán)境，同時對人身體產(chǎn)生極大的危害，非侵入式、實(shí)時連續(xù)的低濃度、高靈敏度的氣體監(jiān)測，近年來成為可穿戴健康領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。另一方面，二維氣體傳感材料的制備通常比較復(fù)雜，批量生產(chǎn)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(shí)時長期氣體監(jiān)測的應(yīng)用與發(fā)展。因此，研究如何實(shí)現(xiàn)低成本、大面積、環(huán)境友好、低功耗、結(jié)構(gòu)簡單的高性能氣體傳感平臺的制備至關(guān)重要。

成果簡介

近日，河北工業(yè)大學(xué)楊麗副研究員與賓州州立大學(xué)程寰宇（Huanyu Cheng）助理教授，利用激光直寫技術(shù)，成功研制出具有自加熱功能的激光誘導(dǎo)石墨烯柔性氣體傳感平臺。該技術(shù)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(fù)合材料）作為氣體敏感材料，監(jiān)測氣體、生物分子和化學(xué)物質(zhì)。該平臺由多個傳感器陣列組成，每個傳感單元由LIG細(xì)線傳感區(qū)域和Ag/LIG的蛇形連接區(qū)域組成。在連接區(qū)域創(chuàng)建銀涂層的蛇形線條，通過向銀涂層施加電流，氣體感應(yīng)區(qū)域由于電阻的逐漸增大而局部加熱，從而實(shí)現(xiàn)自加熱功能，替代了大多數(shù)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(fù)雜度和設(shè)備能耗。此外，蛇形線條的設(shè)計(jì)可以使傳感器像彈簧一樣拉伸，以適應(yīng)身體的不同彎曲變化，實(shí)現(xiàn)了可穿戴性。該平臺在自加熱升溫條件下，可以實(shí)現(xiàn)對NO2氣體的高選擇性、超低濃度的快速響應(yīng)和恢復(fù)，檢測限可以達(dá)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(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》期刊上，并作為back cover 進(jìn)行highlight 發(fā)表。

圖文導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)

（a）LIG SEM圖

（b）LIG 拉曼圖

（c）rGO/MoS2“大花瓣”結(jié)構(gòu)SEM圖

（d）rGO/MoS2“小花瓣”結(jié)構(gòu)SEM圖

（e） -（f） “大花瓣”結(jié)構(gòu)和“小花瓣”結(jié)構(gòu)與LIG的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)典型的氣體響應(yīng)曲線

（b）“小花瓣”結(jié)構(gòu)下，傳感器不同線寬的氣體響應(yīng)曲線

（c）“大花瓣”結(jié)構(gòu)的不同溫度下氣體響應(yīng)曲線

（d）“小花瓣”結(jié)構(gòu)的不同溫度下氣體響應(yīng)曲線

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

總 結(jié)

該智能傳感平臺對現(xiàn)有的可穿戴傳感器進(jìn)行了改良，添加了增強(qiáng)靈敏度的自加熱機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)氣體的快速恢復(fù)和重復(fù)使用，其它同類型設(shè)計(jì)則需要單獨(dú)的加熱器。同時，相較與其它可穿戴傳感器需要在無塵環(huán)境中光刻加工，成本高昂且耗時長，該傳感平臺僅需在機(jī)械車間中常見的二氧化碳激光器即可以實(shí)現(xiàn)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(guī)模制備等優(yōu)勢，可用于監(jiān)測人體氣體生物標(biāo)志物以及可能對肺部造成損傷的環(huán)境污染物，或?qū)⒑芸焱度肷逃茫_拓了基于激光誘導(dǎo)石墨烯的可穿戴電子器件在氣體傳感領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用。

文獻(xiàn)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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