近日，陕西科技大学叶晓慧副教授与西安交通大学张锦英教授合作在Chin Chem Lett在线发表研究论文,题目：Laser-ablated violet phosphorus/graphene heterojunction as ultrasensitive ppb-level room-temperature NO sensor，doi：10.1016/j.cclet.2023.108199。陕西科技大学叶晓慧副教授作为第一作者和通讯作者报道了激光法剥离紫磷/石墨烯异质结在高灵敏度室温ppb级NO传感的应用。该工作得到了国家自然科学基金(No. 61705125， 22175136)、省部共建特色金属材料与组合结构全寿命安全国家重点实验室(No. 2022GXYSOF15)的支持。
【研究背景】
后疫情时代，肺部疾病患者显著增多，气道炎症分子NO气体是患者呼出气中的典型标志物。因此快速检测出超低浓度（ppb级别）的NO气体分子是目前亟需解决的关键问题。目前的NO气体传感器具有工作温度高、响应慢、室温下难脱附和检测下限高等问题，限制了其发展。紫磷作为一种新型的层状材料，具有可调带隙、高比表面积及大量的活性位点，是一种极具潜力的气敏材料。
自2019年张锦英教授成功制备出紫磷单晶后，紫磷成为磷族的新宠儿，引起了广泛的研究。紫磷在光电探测、光催化产氢、降解、生物医药等领域都已崭露头角，然而紫磷在气体传感领域的应用尚未涉及。因此，本文利用紫磷独特的结构和优异的特性，构建紫磷/石墨烯异质结，将其用于室温ppb级NO检测。本论文拓宽了紫磷的应用领域，并提供了新的紫磷剥离方法。
【图文解析】
紫磷层间范德华力较弱，可以通过剥离的方式使其形成二维材料。与机械剥离法、液相超声剥离法对比，本文采用的激光剥离法具有高效、非接触式加工的优势，可以快速获得大量少数层紫磷纳米片。由于紫磷的载流子浓度低，气敏信号探测较为困难，复合石墨烯后，可增强信噪比。研究结果表明，紫磷/石墨烯基气敏传感器的灵敏度高达3×107，相应的电阻响应为59.3%，响应时间为20s，脱附时间仅为6 s，30天后的气敏特性保持率为90%，具有很好的稳定性。与同类型气敏材料对比，本文研发的气敏传感器具有更高的灵敏度，并克服了气敏传感器室温下难脱附、可重复性低的问题。
图1. 紫磷及异质结制备流程及形貌、结构表征。(a) 激光液相剥离示意图；(b) 抽滤法制备紫磷/石墨烯异质结；(c) 传感性能测试；(d-g) 紫磷的形貌和结构。
图2. 紫磷/石墨烯的气敏性能。(a) 气敏检测原理示意图；(b )气体选择性；(c) 传感稳定性；(d-f) 100ppbNO气敏传感性能；(g-i) 500 ppm NO气敏传感性能；(j-k) 与他人工作对比：(j) 灵敏度对比；(k) 响应时间、恢复时间和工作温度对比。
【工作亮点】
(1) 采用激光法在乙二醇溶液中将块体紫磷剥离成少数层紫磷纳米片，其厚度为1.1-5.3nm，相应层数为1-5层。
(2) 将剥离后的紫磷与石墨烯复合形成异质结，显示出优异的NO传感性能，其灵敏度为3×107，电阻变化率为59.3%，室温脱附时间为6s。
(3) DFT结果显示NO与紫磷/石墨烯异质结的吸附能为-0.788 eV，是一种化学吸附。
【通讯作者介绍】
叶晓慧，博士，副教授，硕士生导师。博士毕业于清华大学材料学院。现就职于陕西科技大学材料科学与工程学院。主要研究方向为激光微纳制造、二维功能材料的制备与应用、基于纳米结构的传感器研发。在Nat. Commun.、Carbon、Adv. Mater. Technol.等杂志上发表了20篇同行评审论文。主持国家科学基金项目1项，省部级项目1项，其他项目10余项。作为核心成员参与海装预研项目、国际重大合作项目、中德国际合作项目等国家级项目。曾获中国创新创业大赛全国优秀团队、中国石墨烯创新创业大赛三等奖。指导大学生创新创业训练计划项目国家级2项、省级1项，指导大学生挑战杯团队获国家级三等奖，互联网+创新项目获省级银奖2项，“光威杯”获全国二等奖。担任陕西省、江西省、湖南省等多省市科技专家库评审专家。
张锦英，博士，教授，博士生导师，首批青年仲英学者。硕士毕业于清华大学机械系，博士毕业于牛津大学材料系，于名古屋大学开展博士后研究。现就职于西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，首次在实验室合成了宏观尺寸的紫磷单晶，并确定了其结构。主要从事紫磷、紫磷烯等新型低维度介稳态纳米结构的设计、性能、合成与可持续能源转换的基础研究。分别在Nat. Commun., Nano Lett., ACS Nano, Angew. Chem. Int. Ed, Adv. Funct. Mater. 等权威杂志发表论文70余篇。
本文来自ChinChemLett，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
