华南师大周国富/王耀教授团队《Small》：用于室温一氧化氮气体传感的具有碳-铁电子传输通道的卟啉-石墨烯复合材料

近日，华南师范大学周国富/王耀教授团队在《Small》期刊上发表了题为“Carbon-Iron Electron Transport Channels in Porphyrin-Graphene Complex for ppb-level Room Temperature NO Gas Sensing”的研究论文（DOI: 10.1002/smll.202103259）。本论文将血晶素（Hemin）与氮掺杂还原氧化石墨烯（N-rGO）进行复合，制备了一种新型复合材料HNG用于室温一氧化氮传感，并首次提出了基于碳-铁电子传输通道的传感机制。论文要点如下：

金属氧化物是目前研究较多的一种NO传感材料，由于其传感机理中需要氧负离子的参与，因此大多需要较高的传感温度（>180℃），这无疑会增加功耗并有一定的安全隐患。石墨烯作为一种极具代表性的二维材料，其较大比表面积和室温下较大电子迁移率的特性使其可实现室温传感，然而石墨烯基气体传感器也存在响应值低，选择性差等缺点。本文中，我们通过一步溶剂热法（乙醇为溶剂）将血晶素（Fe(III)- protoporphyrin IX ，Hemin）分子负载于氮掺杂石墨烯上制备了具有NO特异响应性的复合材料HNG-ethanol。作为对比，将乙醇替换为去离子水后得到的材料命名为HNG-water。

图1 （a,b）HNG-ethanol的SEM图像；（c）HNG-ethanol的TEM图像；（d,e）HNG-water的SEM图像；（f）HNG-water的TEM图像。

图2 （a）N-rGO，HNG-ethanol和HNG-water对20 ppm NO的响应-回复曲线；（b）HNG-ethanol对0.5-20 ppm NO的响应-回复曲线，内图为浓度-响应梯度拟合曲线；（c）HNG-ethanol对5 ppm NO的响应-回复循环曲线；（d）HNG-ethanol对NO、氨气、丙酮、乙醇和水蒸气的响应柱状图；（e）HNG-ethanol对20 ppm NO的响应稳定性柱状图；（f）HNG-ethanol在不同湿度下对20 ppm NO的响应柱状图。

通过X射线光电子能谱（XPS）和密度泛函理论（DFT），我们分别从实验和理论计算角度首次证实了HNG中存在的碳-铁键（C-Fe）结构，可作为石墨烯与血晶素之间的电子传输通道。基于此，本工作提出了C-Fe键形成机理及其在NO传感过程中的电子传输机制，将有望为此类金属-碳复合传感材料的设计制备提供理论依据，并为单原子催化、储能材料等相关领域的研究起到启发作用。

图3 C-Fe键的形成机理示意图

课题组博士后高宜逊和硕士研究生王建强为本文共同第一作者，华南师范大学华南先进光电子研究院王耀教授为论文通讯作者，华南师范大学为第一完成单位。本研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、“111计划”、广东省光信息材料与技术重点实验室、广东省教育厅创新团队和广州市科技计划等项目的支持。

周国富教授团队王耀教授领导的先进信息材料（AIM）课题组在光、电、气体和温度等响应型功能信息和智能传感材料研究方面取得了一系列重要突破，近三年已在《ACS Nano》、《Advanced Science》、《Advanced Functional Materials》、《Small》、《Journal of Materials Chemistry A》、《ACS Applied Materials & Interfaces》、《ACS Sensors》等国际期刊上发表20多篇原创性学术论文，为华南师范大学在功能信息和智能传感材料领域的科学研究做出了贡献。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202103259