氢能作为风能、太阳能等可再生能源的储能形式，在使用过程中不会产生二氧化碳等温室气体，对于缓解全球变暖等气候问题具有重要意义。然而，氢气具有无色、无味的特点，爆炸极限范围宽（在空气中约4−75 vol%） ，且容易与金属发生氢脆反应。因此，为了保障氢能在大规模使用过程中的安全，急需一种可靠、经济、可以随时随地部署的氢气检测设备。目前市场上的氢气传感器多基于金属氧化物材料，存在体积大、柔性差、对环境敏感等局限性，难以灵活部署在管道和阀门等关键区域。
金属有机框架材料（MOF）具有丰富的活性位点与有序的孔道结构，被广泛应用于气体吸附、化学识别等领域。而石墨烯外延MOF（Epi-MOF）不仅保留了MOF的功能，还具有优异的柔性与高导电性，是用于构建兼具可靠检测与灵活部署能力的氢气传感器的最佳选择。
近日，复旦大学的孙正宗和李巧伟课题组在该领域的研究取得新进展，相关成果以“Epitaxial Metal–Organic Framework-Mediated Electron Relay for H2 Detection on Demand”为题发表于美国化学会杂志ACS Nano。
TOC: MOF作为电子中继层促进电子转移与基于外延MOF的氢检测器件。
在研究中，团队在毫米晶畴石墨烯表面外延生长了25 nm厚的Ni-CAT-1，并进一步通过磁控溅射技术修饰了Pd纳米颗粒，最终获得了具有石墨烯、MOF、Pd三层结构的氢敏材料（Epi-MOF-Pd）。Epi-MOF-Pd不仅能够高灵敏（155%电阻变化）、快响应（12秒）地检测氢气，还具备优异的专一性、稳定性与柔性。
团队发现，处于Pd与石墨烯之间的MOF层在传递电子方面起到了中继作用，为电子提供了高效的转移通道，保证了Epi-MOF-Pd对氢气的高灵敏度和快速响应。在实际应用方面，Epi-MOF-Pd的纸基器件可以像“便利贴”一样部署在各种氢气阀门和管道的表面，通过无线与云监测平台实时通讯连接；亦可通过光刻加工高密度的器件阵列（3000个/cm2），具备按需部署和大规模生产的应用潜力。
作为新一代的氢气传感材料，Epi-MOF-Pd能够满足氢气泄漏监控平台的各方面需求，并有望成为覆盖氢能产业链中生产、存储、运输、使用等各种应用场景下安全监控的“哨兵”。
硕士生袁赛霖为第一作者，微电子学院孙正宗教授和化学系李巧伟教授为该工作的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发项目、复旦大学义乌研究院项目和复旦大学-龙星合作项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c05206
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