背景介紹

核能被公認為是一種清潔和可持續的能源，對于解決全球能源困境至關重要。然而，核反應堆的運行引發了安全問題，包括產生揮發性放射性物質。其中，碘同位素，特別是129I和131I，以其氣態分子形式（I2），是嚴重危害人類健康和環境的主要危害。目前核電站和環境監測站的碘檢測方法繁瑣，通常不是實時進行的，而且需要笨重的設備。因此，開發能夠快速識別低濃度I2的便攜式碘氣體傳感器對于保障人類健康、保護核設施和保護環境至關重要。

理想的氣體傳感材料應該對目標氣體表現出特定的吸附作用，并具有獨特的信號放大機制，以確保高選擇性和靈敏度。快速且可逆地吸附目標氣體對于實現傳感器運行期間的快速響應和恢復也至關重要。人們已經探索了各種傳感材料和機制來開發碘氣體傳感器。具有優異加工性能的聚合物材料已被用于通過電導率或熒光變化來檢測I2。然而，導電聚合物通常表現出有限的靈敏度，檢測閾值為百萬分率 (ppm) 級，而熒光聚合物盡管靈敏度高，但也面臨檢測精度低和不可重復使用的缺點。納米多孔骨架材料，例如金屬有機骨架 (MOF) 和共價有機骨架 (COF)，可以通過專門促進I2吸附來增強傳感器的靈敏度和選擇性，但它們受限的微孔結構阻礙了I2分子的擴散，導致響應和恢復時間較長。此外，銀 (Ag) 粒子通常被摻入I2傳感材料中作為活性中心，與I2反應形成碘化銀 (AgI)，從而產生傳感信號。然而，由于這種反應不可逆，基于 Ag 的I2傳感器通常缺乏可重復使用性，或者需要高溫和長時間才能恢復。目前，開發兼具高靈敏度和選擇性以及快速響應和恢復能力的I2氣體傳感器仍然是一項重大挑戰。

石墨烯表現出幾種適用于氣體傳感的理想特性，例如大表面積、高載流子遷移率和零帶隙。從理論上講，即使石墨烯上吸附的物質數量極少，也能引起其電子特性的迅速而顯著的變化，從而產生顯著的傳感信號。然而，原始石墨烯被發現不適合用于傳感應用，這主要歸因于其對特定分子的低選擇性以及由于 π?-?π 相互作用而容易聚集，導致可用表面積顯著減少。在實際應用中，石墨烯通常會進行表面改性以增強其分散性，而不會損害其固有的電子特性。還原氧化石墨烯 (rGO) 是最常用的石墨烯替代品，因其與石墨烯相似的特性和可大規模使用而受到青睞。盡管對采用石墨烯或 rGO 的傳感器進行了廣泛的研究，但它們在 I2傳感中的應用仍未得到充分探索。

本文亮點

1. 本工作設計并制備了一種三組分傳感材料，包括還原氧化石墨烯 (rGO) 作為底物、碘化銀 (AgI) 顆粒作為活性位點和聚苯乙烯磺酸鹽作為添加劑。

2.AgI 顆粒能夠實現 I2 分子的可逆吸附和轉化為多碘化物，從而引起 rGO 中電荷密度的顯著變化。這種機制有助于實現卓越的靈敏度和選擇性、超快的響應和恢復時間以及室溫操作。

3.利用這種材料制造的多功能傳感器原型實現了最快的報告響應/恢復時間（動態模式下為 22/22 秒，靜態模式下為 4.2/11 秒）和 25 ppb 的檢測限，超過了職業安全與健康管理局 (OSHA) 和國家職業安全與健康研究所 (NIOSH) 設定的標準，同時優于商用 I2 氣體傳感器。

圖文解析

圖1. 碘氣體傳感材料的設計原理。

a 優化的石墨烯原子結構和能帶結構。石墨烯/I2 (b)、石墨烯/I3 (c) 和石墨烯/I5 (d) 在 0.001 e/Bohr3 等值面處的電荷密度差異圖和能帶結構。棕色和紫色球體分別代表碳和碘原子。黃色區域表示電子積累，而青色區域代表電子缺乏。e 設計的復合材料上 I2 傳感的激活、響應和恢復過程示意圖。紫色、紅色和藍色原子分別用于區分I2、I3 和 I5。

圖2. 碘傳感過程的原位表征。

a 原位拉曼光譜和 XRD 設置的示意圖。b 說明 Ag-PSS-rGO 復合材料上 I2 氣體傳感過程的各個階段的圖表。數字 ①?⑥ 表示收集原位 XRD 和拉曼數據的點。c 原位 XRD 曲線和 d 原位拉曼光譜，在交替暴露于I2 蒸汽和空氣期間收集，對應于 b 中標記的階段。總流速為每分鐘 200 標準立方厘米 (sccm)，I2 蒸汽濃度為 75 ppm。淺色、嘈雜的曲線表示原始數據，而深色、平滑的曲線對應于擬合后獲得的精煉數據。

圖3. AgI-PSS-rGO 傳感器模塊的性能評估。

a 室溫下的動態 I2 氣體傳感：i AgI-PSS-rGO、PSS-rGO 和 rGO 傳感器模塊在 50 ppm I2 氣體下的響應-恢復曲線。ii 在暴露于和去除 75 ppm I2 氣體后，AgI-PSS-rGO 的連續 20 個循環響應-恢復曲線。iii I2 濃度從 75 ppm 到 250 ppb 不等時，AgI-PSS-rGO 的連續響應-恢復曲線。iv 響應值與I2 濃度的對應圖。b 室溫下靜態 I2 氣體感應：i I2 濃度為 200 ppm 時 AgI-PSS-rGO 的響應-恢復曲線。ii 在暴露于和去除 200 ppm I2 氣體后，AgI-PSS-rGO 的連續 20 個循環響應-恢復曲線。iii I2 濃度從 200 ppm 到 25 ppb 不等時，AgI-PSS-rGO 的連續響應-恢復曲線。iv 響應值與 I2 濃度的對應圖。c 對 AgI-PSS-rGO 進行為期十周的老化測試，每兩周檢查一次，I2 濃度為 200 ppm。d AgI-PSS-rGO 對 I2 和其他干擾氣體（包括 Cl2、NO2、SO2、H2S、乙醇、丙酮、CH3I、H2 和 N2）的響應。為了便于比較，傳感響應表示為氧化氣體的響應 (%) = (Ra???Rg)/Ra × 100，還原氣體的響應 (%) = (Rg???Ra)/Rg × 100。e AgI-PSS-rGO 與 16 種先前報道的 I2 氣體傳感器在檢測限 (LoD)、工作溫度 (Temp)、響應時間 (tres) 和恢復時間 (trec) 方面的比較。a–c 中的誤差線表示五個測量周期的標準偏差。

圖4. I2 氣體傳感器原型的制造和評估。

a 原型的工作原理和印刷電路板布局。ADC 模擬數字轉換器、DAC 數字模擬轉換器、MCU 微控制器單元、LCD 液晶顯示器。b 原型的特點，包括針對溫度和濕度影響的預校準、用于全面實時測量的適應性用戶界面以及將數據無線傳輸到 PC 終端。c 原型和兩種商用 I2 氣體傳感器在檢測 50 ppm I2 氣體時的響應和恢復時間比較。d 傳感器在不同 I2 濃度（40 ppb-50 ppm）下的讀數，表明原型能夠檢測到低于 100 ppb 的 I2 水平，這是商用傳感器無法實現的。e 測試地點的照片和三個傳感器顯示的測量I2 濃度。室內的實際 I2濃度為 60 ppb，只有我們的傳感器才能準確檢測到。b 中的誤差線表示五個測量周期的標準偏差。

審核編輯 黃宇