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  二氧化氮是一種空氣中常見的有害氣體，它是引起酸雨以及光化學煙霧的重要原因之一，同時也是空氣中PM 2.5的前驅體之一。因此，對二氧化氮氣體的識別和檢測尤為重要。開發高性能二氧化氮傳感器已成為各行各業普遍關注的焦點。但目前常見的傳感材料普遍存在靈敏度低、響應速度慢、難以實現室溫檢測等問題。磷烯作為一種新型二維晶體，在垂直于平面方向具有更低的載流子遷移能力，使其對表面氣體分子的吸附更為敏感，其特殊的結構和獨特的性質使其在傳感領域表現出了顯著的優勢。但是，由于磷烯表面存在裸露的孤對電子、空穴等結構缺陷，對水、氧極不穩定，在空氣中易被氧化，發生降解，嚴重影響其傳感性能。另一方面，二維的磷烯納米片在組裝形成傳感層的過程中會發生片層的緊密堆疊，嚴重阻礙氣體分子的擴散和吸附。因此開發兼具高靈敏度、快速響應/脫附性能，同時具有良好空氣穩定性的磷烯基氣體傳感器仍然是研究難點。

  近日，河北工業大學殷福星教授團隊苑文靜副研究員報道了一種利用含給電子基團的芳基重氮鹽對磷烯進行修飾（共價鈍化磷烯，CPP），以提高磷烯基傳感材料在空氣中的穩定性。同時，通過在磷烯或修飾磷烯的層間引入多孔納米間隔層（三嗪基二維多孔聚合物，T-2DP），阻止磷烯納米片的緊密堆疊，為氣體分子提供良好的擴散途徑，顯著改善了磷烯基材料的NO₂傳感性能。所制備的CPP/T-2DP基氣體傳感器表現出優異的綜合性能：與本征磷烯相比，其靈敏度提高了5倍（CPP/T-2DP：2410%；磷烯：400%，1 ppm NO₂），響應/脫附速度、恢復特性及傳感穩定性也得到了顯著的提高。同時，該傳感器可在室溫條件下工作，并具有良好的柔性。該工作中提出的納米間隔層插層策略也適用于其他二維傳感材料，如石墨烯等。相關成果以“A new sensing material design based on chemically passivated phosphorene/porous two-dimensional polymer: highly sensitive and selective detection of NO2”為題發表在Sensors & Actuators: B. Chemical（DOI:10.1016/j.snb.2020.129233）上。

圖1. CPP/T-2DP及氣體傳感器的制備過程示意圖。

圖2. CPP、T-2DP納米片和CPP/T-2DP納米復合薄膜的形貌：（a） CPP納米片的低倍TEM圖像;（b）CPP納米片的高分辨TEM圖像；（c）CPP納米片的原子力圖像；（d）T-2DP納米片的低倍TEM圖像；（e）CPP/T-2DP復合膜的SEM圖像；（f）CPP/T-2DP復合膜中 P、C、N、O元素分布。

圖3. Pristine-P和CPP分散液的紫外-可見吸收光譜隨時間變化趨勢（空氣中室溫下保存）。（a）Pristine-P分散液的紫外-可見吸收光譜；（b）CPP分散液的紫外-可見吸收光譜；（c）紫外-可見吸收光譜460 nm處的吸收強度 (A/A0)隨時間的變化柱狀圖。

圖4.（a）Pristine -P、CPP和CPP/T-2DP傳感器對1 ppm NO₂的響應；（b）Pristine -P、CPP和CPP/T-2DP傳感器對1 ppm NO₂ 的響應/脫附時間和恢復百分比；(c) Pristine-P（或CPP）、CPP/T-2DP傳感膜的氣體擴散路徑示意圖。

圖5.（a）CPP/T-2DP傳感器對不同濃度NO₂（30 ppb-5 ppm）的循環響應曲線；（b）響應信號與濃度關系及相應的Langmuir吸附擬合曲線；（c）不同 NO₂濃度下的吸附/脫附速率常數；（d）不同NO₂濃度下的恢復百分比；（d）Pristine-P、CPP和CPP/T-2DP對不同氣體的選擇性。

圖6. 不同傳感材料在室溫下的穩定性及柔性。（a）Pristine-P、CPP和CPP/T-2DP對NO₂的傳感響應信號隨時間變化柱狀圖；（b）Pristine-P、CPP和CPP/T-2DP氧含量隨時間變化柱狀圖；（c） CPP/T-2DP傳感器在空氣平衡氣體中的循環傳感響應；（d）CPP/T-2DP傳感器在不同相對濕度下對1 ppm NO₂的傳感響應；（e）柔性CPP/T-2DP傳感器圖像；（f）柔性傳感器循環彎折200、400、600、800、1000次的響應強度和基線值。

  該研究工作得到了國家自然科學基金(51702084)和河北省自然科學基金(E2018202179)的資助。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925400520315732