华南师范大学王耀团队: MOF/石墨烯叠片结构实现高稳定室温呼气 NO 传感

研究背景

呼气一氧化氮 (FeNO, ＜100 ppb) 是气道炎症标志气体，可用于预测哮喘治疗效果和评价慢性呼吸道等疾病。因此，检测 ppb 级一氧化氮（NO）对呼吸疾病的临床诊断具有重要意义。基于电阻信号变化的化学电阻式气体传感器具有体积小、灵敏度高、成本低、使用方便等优点，是应用最广泛的气体传感器之一情况下。

金属有机框架 (metal-organic frameworks, MOFs) 在室温下实现高性能化学电阻式气体传感方面展现出巨大潜力。尤其是含有对 NO 特异性络合作用的 Fe-N₄ 活性位点的卟啉 MOFs，是高选择性 NO 传感材料的良选。然而，获得稳定的高性能 MOFs 基 NO 传感材料仍极具挑战。

文章简介

本工作分别制备含有 Fe-N₄ 活性位点的卟啉 MOFs 纳米片 [DLS-2D-Co-TCPP(Fe)] 和含有 D-Π-A 小分子（5-氨基萘-1-磺酸，ANS）修饰的还原氧化石墨烯纳米片 (ANS-rGO)。再利用超分子自组装将两种纳米片结合，构筑“片叠片”异质结 [DLS-2D-Co-TCPP(Fe)/ANS-rGO] 作为化学电阻式 NO 室温传感材料。

图1. Co-TCPP(Fe)-Rod、DLS-2D-Co-TCPP(Fe)、ANS-rGO 和 DLS-2D-Co-TCPP(Fe)/ANS-rGO 的制备工艺。

基于 DLS-2D-Co-TCPP(Fe)/ANS-rGO-0.5 的传感器具有优异的 NO 传感性能，包括高灵敏度 (R_a/R_g= 1.33, 250 ppb)，可靠的重复性，高选择性和快速响应/回复性 (150 s/185 s, 1 ppm)，室温下传感浓度范围为 100 ppb 10 ppm。同时，所获得的传感器具有优异的稳定性，即使在 60 天后，响应值仍保持初始响应值的 85% 以上。气敏机理研究表明，设计含有 Fe-N₄ 活性位点的 MOFs 纳米片，以及构建稳定的“片叠片”异质结，是获得稳定的高性能 MOFs 基 NO 传感材料的关键。

图2. (a) DLS-2D-Co-TCPP(Fe)/ANS-rGO-0.5和Co-TCPP(Fe)-Rod/ANS-rGO-0.5 的初始值响应比(a.u.) %; (b) DLS-2D-Co-TCPP(Fe)/ANS-rGO-0.5 和 Co-TCPP(Fe)-Rod/ANS-rGO-0.5 在室温下传感 10 ppm NO 的长期稳定性测试; (c) 通过超分子自组装构筑异质结（DLS-2D-Co-TCPP(Fe)/ANS-rGO）对 NO 的传感过程。

该成果以“Sheet–on–Sheet Architectural Assembly of MOF/Graphene for High–Stability Room Temperature NO Sensing”（《构筑金属有机框架/石墨烯的片叠片结构用于高稳定性室温 NO 传感》）为题，发表在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry C 上，并入选为 hot paper。

论文信息

Sheet–on–Sheet Architectural Assembly of MOF/Graphene for High–Stability Room Temperature NO Sensing

Yanwei Chang, Jingxing Zhang, Ruofei Lu, Weiran Li, Yuchen Feng, Yixun Gao, Haihong Yang, Fengnan Wang, Hao Li, Yi–Kuen Lee, Patrick J. French, Ahmad M. Umar Siddiqui, Yao Wang*, and Guofu Zhou

J. Mater. Chem. C, 2024

https://doi.org/10.1039/D4TC00091A

作者简介

常晏唯 博士
华南师范大学

本文第一作者，华南师范大学华南先进光电子研究院博士毕业生。主要从事气体传感材料的研究工作。

王耀 教授
华南师范大学

本文通讯作者，2010 年加入北京航空航天大学化学与环境学院，入选中国教育部“新世纪优秀人才”计划。2017 年调入华南师范大学华南先进光电子研究院。主要从事功能响应型材料相关研究（课题组网站 www.scnuaim.cn）。