人类日常生活中的各种活动都会导致挥发性有机化合物（VOC）的排放，包括碳基、醇类、烷烃、烯烃、酯类、芳香烃、醚和酰胺。这些化合物对环境保护、职业安全和人类健康都构成危险。准确识别室内、环境以及呼出气体中特定的VOC，对于保护人类生理健康至关重要。例如，甲醛是一种威胁人类健康的重要气态污染物，而呼出丙酮水平可能表明患有糖尿病。传统的挥发性有机化合物检测技术一般基于分光光度法、气相色谱/质谱法和离子迁移率光谱法来检测室内空气样品或呼出气体样品。然而，这些传统方法存在费用高、缺乏移动性、无法实时监测和低吞吐量等问题。鉴于此，曼彻斯特大学李加深团队涉及了一种新的材料结构，利用聚乙二醇修饰细菌纤维素气凝胶，并结合石墨烯和金属氧化物制备出一种复合材料传感器，能够实时监测各种挥发性有机物。
图一：细菌纤维素/石墨烯/金属氧化物复合材料的制备工艺。
图一为细菌纤维素复合材料样品的制造过程。首先，采用溶剂交换方法将金属氧化物和聚乙二醇嵌入细菌纤维素的纤维网络中。聚乙二醇一方面可以帮助金属氧化物实现稳定分散，另一方面与纤维形成氢键并取代了原来的纳米纤维之间氢键从而有效防止了细菌纤维素在干燥后的三维结构坍塌。而后通过溶剂交换的方法将石墨烯附着在细菌纤维素的纳米纤维上。最后采用冷冻干燥的方法以保留原有的纤维和多孔结构，最大限度地保存复合材料的力学性能、孔隙率和比表面积。
图二：复合材料的横切面SEM图像。
图二展示了细菌纤维素复合材料的横切面电镜图像。通过图片可以看到，在聚乙二醇的帮助下很好的保留了细菌纤维素的三维多孔结构。同时，金属氧化物的小颗粒和石墨烯片均匀地分布在细菌纤维素纤维网络上，这为该复合材料传感器提供了大量与可挥发有机化合物气体的接触面积与位点，这也成为提高传感器的性能的关键。
图三：细菌纤维素的表征结果。
图三展示了细菌纤维素复合材料传感器的表征结果。各种表征结果显示，石墨烯与金属氧化物成功的嵌入到三维纤维多孔结构中，并均匀的附着在细菌纤维素的纳米纤维上。同时，石墨烯、金属氧化物、聚乙二醇与细菌纤维素之间均产生了化学连接和物理连接。这些良好有效的协同作用为检测可挥发有机化合物的功能提供了有效帮助。
图四：细菌纤维素复合材料在不同挥发性有机物上的气体传感性能。
图四展示了细菌纤维素复合材料在不同挥发性有机物上的气体感应性能。结果表明，该复合材料对可挥发有机化合物具有较强的实时监测响应性能。含有氧化锌的复合材料在浓度为10 ppm的丙酮时表现出优异的性能，实时电阻变化值高达64%。氧化锌在甲醛检测方面也优于二氧化钛，而仅在乙醇检测方面，二氧化钛的峰值响应（28%）略优于氧化锌（27%）。与单纯使用纯石墨烯相比，使用石墨烯联合氧化锌或二氧化钛可以显著提高传感系统对挥发性有机物的响应速度和可逆性。含有二氧化钛的复合材料的最小可检测浓度约为1.43 ppm，足以分析人类呼出的丙酮以达到预诊断疾病功能。含有氧化锌的传感器表现出与甲醛浓度指数相关性和极低检测阈值。该灵敏度水平足以实时监测甲醛TLV浓度（0.75 ppm），以确保人类健康和日常工作的安全保护。
本工作利用溶剂交换和冷冻干燥技术制备了一种超轻三维细菌纤维素气凝胶，并用聚乙二醇与石墨烯和金属氧化物功能修饰，以检测可挥发有机化合物气体。该传感器三维结构具有高渗透性细菌纤维素复合材料，在更广泛情况下对丙酮、甲醛和乙醇提供了优越传感特性。便携式BC复合传感器对挥发性有机物检测具有显著灵敏度和选择性。
Bacterial cellulose/polyethylene glycol composite aerogel with incorporated graphene and metal oxides for VOCs detection
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156510
本文来自高分子科技，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
