纳米尺度效应对氧化石墨烯气体敏感性能的调控研究

To date, lack of quantitative relationship between size and gas sensing performance hinders the further application of graphene oxide (GO) sensing-material. In order to address the above-mentioned issue, we herein propose a new strategy where resonant microcantilever is used as gravimetric sensing platform. With this method, the gravimetric sensing curves can be quantitatively transformed to physical-chemistry models such as isotherms. Based on classical physical-chemistry theories like Clausius-Clapeyron equation, the whole-set thermodynamic parameters including enthalpy and adsorption site numbers can be extracted quantitatively. By using the extracted thermodynamic parameters, the relation between the activated defect-sites and delocalized π electrons of GO material is expressed quantitatively in terms of nanoscale diameter. After that, the sensing performance of GO material can be tuned and optimized based on nano-size effect.

针对氧化石墨烯（GO）敏感材料的纳米尺度与其敏感特性之间缺乏明确的定量关系这一问题，本项目拟以谐振式微悬臂梁这一质量型传感器为研究工具，从GO敏感材料对目标检测分子的气敏数据着手，通过传感器的频率输出信号与其吸附分子质量之间的线性关系，将传感曲线对应转化为吸附等温线等物理化学模型。根据克拉伯龙-克劳修斯方程等物理化学理论计算得到吸附热等热力学参数，通过焓变和吸附位点数等热力学参数分析灵敏度和选择性等气敏参数并进行定量化。从吸附热力学这一视角，研究GO边缘含氧基团这类活性缺陷位点与GO面内离域π轨道电子之间的吸附活性关联特性，进而揭示GO敏感材料的纳米尺度与其气体敏感性能之间的定量关系，据此开展GO敏感材料的优化设计与性能调控，并用气敏实验对优化研究结果进行检验。

为了定量化研究氧化石墨烯（GO）敏感材料的纳米尺度与其敏感特性之间明确的定量关系，本项目采用谐振式微悬臂梁这一质量型传感器为研究工具，从GO敏感材料对目标检测分子的气敏数据着手，通过传感器的频率输出信号与其吸附分子质量之间的线性关系，将传感曲线对应转化为吸附等温线等物理化学模型。根据克拉伯龙-克劳修斯方程等物理化学理论计算得到吸附热等热力学参数，通过焓变和吸附位点数等热力学参数分析灵敏度和选择性等气敏参数并进行定量化。本项目的结果表明，由于氧化石墨烯边缘的含氧基团受体内原子的束缚，其活性随着横向尺度的增加而急剧减小，因此随着氧化石墨烯的纳米尺度减小，石墨烯对NH3的吸附焓变增加。而氧化石墨烯面内的自由离域电子受石墨烯边缘的含氧基团束缚，越是横向尺度大，这种束缚作用越弱。因此，氧化石墨烯对NO2的活性随着横向尺度的增加而增加。项目研究结果表面石墨烯对NH3和NO2两种分子都体现了典型的纳米尺度效应。本项目从吸附热力学这一视角，研究了GO边缘含氧基团这类活性缺陷位点与GO面内离域π轨道电子之间的吸附活性关联特性，从而揭示了GO敏感材料的纳米尺度与其气体敏感性能之间的定量关系。本项目的成果可以为GO敏感材料的优化设计与性能调控提供理论依据。