基于石墨烯气体传感器表面气敏机理的同步辐射近常压原位研究

Graphene has been widely studied and has potential applications in the field of gas sensors due to its high conductivity and large specific surface area, etc. In the early stage of its development, the modification of graphene was normally used to enhance the response performance of the graphene based gas sensor. Further performance improvement and potential realization require a clear understanding of the sensing mechanism. Meanwhile, the interaction between gas molecules and graphene/functionalized graphene is one of important research in physical chemistry. In this project, we will use the newly established SiP•ME2 platform of NSFC to investigate the critical scientific issue, which is relative with the influence of competitive adsorption of various gas molecule on the electrical signal of gas sensor. By using near-ambient pressure soft X-ray spectroscopies (including soft x-ray absorption spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy) to investigate the gas sensor under working conditions, with observing the evolution of electrical signal and the surface chemical environment of graphene during response process of gas sensor, we will establish the we will establish the structure-activity relationship between the electrical properties and chemical reaction on the surface of graphene. Also, this operando X-ray method could be used for investigating the sensing mechanism of other gas sensors to further develop new robust and effective gas sensor. Meanwhile, the in-situ facility could satisfy the need of users on synchrotron based soft X-ray spectroscopy.

石墨烯因其具有高导电性和高比表面积等特性，在气体传感器领域中已得到广泛研究并具有潜在的应用价值。在其发展初期，主要通过石墨烯的改性来提升气体传感器的响应性能，而进一步的性能提升及潜力实现需要深刻理解其气敏机理，与此同时，石墨烯和功能化石墨烯与气体之间的的相互作用也是物理化学领域中重要的一项研究。本项目通过利用基金委新近建成的SiP•ME2研究平台研究不同气体在石墨烯表面的竞争吸附对气体传感器的电学信号影响这一核心科学问题。利用近常压软X射线谱学（包括软X射线吸收谱和X射线光电子能谱）原位测试工作条件下的气体传感器，结合其响应前后的电学信号和响应过程中石墨烯表面的化学环境的变化，建立气体传感器的电学特性和表面分子层次上的化学反应之间的构效关系。该原位实时表征方法可以推广至其它气体传感器的工作机理研究，进而开发出新一代节能有效的气体传感器，同时满足国内原位同步辐射软X射线谱学技术的用户需求。

气体传感器在人类的经济及生活中占有很重要的地位，半导体气体传感器是其中应用最广泛的一类。气体传感器的种类比较多，工作原理也比较复杂，但可以肯定的是，气体传感器的特性就是基于气体与材料表面发生的可逆的相互作用致使材料某些性质发生变化，从而达到检测目的。半个世纪来，由于对气体传感器的气敏机理认识不清，使得科研工作者只能采用大量的实验尝试提升性能。因此，对气体传感器气敏机理的研究是提升性能的重中之重。现有的表征技术不能直观判断催化剂化学组分和表面吸附物种与半导体氧化物传感器的电学性能之间的关联性。这就需要发展新的原位表征技术来攻克这一难题。在机理理解的基础之上，我们利用不同的新型材料作为气敏响应材料，从而提升气体传感器的响应性能。.本项目中，我们利用同步辐射技术原位表征技术突破了真空壁垒实现了近常压的谱学研究。其中，近常压光电子能谱(APXPS)和X射线吸收谱(XAS)由于能探测材料的化学或电子结构变化被广泛应用于材料科学中。本项目中，我们在已有的手段之上，开发新的原位谱学方法，并且利用这些新型技术手段结合特定的原位装置帮助我们研究气体传感器的气敏机理，主要研究内容包括：1) 气体传感器原位谱学方法的建立（包括近常压二维共振谱学方法和近常压功函数测量方法），2) 石墨烯与气体小分子的气固界面研究，3) Pt单晶与O2在不同温度条件下的界面研究，4) 不同氧化物与O2相互作用研究，通过本项目，我们初步建立了气敏材料和电极材料与气体分子的表面化学反应与电学特性之间的构效关系，指导半导体气体传感器的设计和优化。从而为气体传感器性能的提升提供科学指导。