检测有毒有害气体——咱有“人造狗鼻子”

陈卓

北京航空航天大学

关键词：狗鼻子、石墨烯、气体检测、二氧化氮

在自然界中，犬类一直是超强嗅觉能力的代表，性能决定于结构，犬类超灵敏的嗅觉实际上源于狗鼻子内部独特的结构。研究显示，狗鼻子的特殊之处是在它的上颌鼻甲分布着极多片状褶皱，这种结构以其巨大的比表面积极大增强了对气体分子的吸附能力，为嗅觉细胞进一步感知气体提供了坚实基础[1]。

图一：狗鼻子内部三维模型示意图及鼻腔截面图（e区为上颌鼻甲）[1]。

那么问题来了：狗狗们并不能精准的表达被测气体成分以及浓度，而且也不能乖乖的实现全天候检测，能不能制备一种十分灵敏的“人造狗鼻子”进行替代呢？

本课题组受狗鼻子褶皱结构的启发，制备了一种具有类似结构的“人造狗鼻子”——三维褶皱石墨烯纳米片，该材料能更有效的利用其特殊结构吸附传感有毒有害气体，提高气体检测能力[2]。另一个好消息是：这种“人造狗鼻子”真的很好做！首先，我们选用石墨烯和功能有机分子NA作为原料，NA分子不仅能增强二氧化氮的传感效果，而且能有效防止石墨烯片层的再堆垛，促进后续褶皱结构的形成；之后，具有芳香结构的NA分子能够自发的与二维共轭结构的石墨烯通过π-π作用进行复合，形成超分子自组装体；最后，通过冷冻干燥技术即可使石墨烯片层随脱水过程产生扭曲，大规模形成这种三维褶皱石墨烯纳米片。

图二：三维褶皱石墨烯纳米片的扫描电镜图[2]。

本文所述的三维褶皱石墨烯纳米片是一种典型的p型半导体，当氧化型气体二氧化氮临近时，会使该材料电阻减小，即可通过电阻的变化作为信号达到检测二氧化氮目的，甚至还能通过阻值变化的倍数精确反映出被测气体的浓度。气体传感测试显示：该三维褶皱石墨烯纳米片对极低浓度范围（1-10ppm）内的有毒气体二氧化氮依然具备很灵敏的检测能力；此外，由该材料制备的气体传感器具有良好的稳定性及线性检测能力，能够满足对有毒有害气体探测的实际需求，对发展精准高效的超灵敏仿生气体传感器具有重要意义。

图三：三维褶皱石墨烯纳米片对1-10 ppm二氧化氮的连续检测曲线及灵敏的线性检测能力[2]。

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参考文献：

[1] Craven, B. A.; Neuberger, T.; Paterson, E. G. et al. Reconstruction and Morphometric Analysis of the Nasal Airway of the Dog (Canis Familiaris) and Implications Regarding Olfactory Airflow. Anat. Rec. 2007, 290, 1325-1340.

[2] Chen, Z.; Wang, J.; Umar, A. et al. Three-Dimensional Crumpled Graphene-Based Nanosheets with Ultrahigh NO2 Gas Sensibility. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 11819-11827.