一氧化氮（NO）是一种常见的人体呼出气标志物，可用于哮喘等呼吸道疾病的早期快速诊断，发展低浓度NO的室温气体传感材料具有重要的社会意义和科学意义。近日，华南师范大学王耀教授团队在《Talanta》期刊上发表了题为“Ferrocene-Decorated Graphene Nanosheets built by Edge-to-Face π-π Interaction for Room Temperature ppb-level NO Sensing”的研究论文（DOI: https://doi.org/10.1016/j.talanta.2024.127365）。该工作设计制备了基于“边对面”π-π堆积的二茂铁-石墨烯复合纳米片，用以实现高响应性、高选择性和高稳定性的NO室温传感。

论文要点如下：

基于金属氧化物（MOS）的化学电阻式气敏传感材料与器件是目前NO传感的主要研究方向，但MOS的传感机理决定了其较高的工作温度（>150℃），这导致了高能耗和应用风险。近年来，许多研究者将金属化合物（包括金属氧化物、纳米金属颗粒、金属络合物分子等）与石墨烯等碳基二维材料通过分子间作用力进行复合，利用碳基材料的优良电学性能实现可回复的室温传感。在课题组前期工作中，选取血晶素（高铁卟啉，Hemin）与石墨烯复合，成功制备了具有NO特异性响应的室温气敏材料，但研究发现，该材料中的卟啉环易发生自堆叠现象，阻碍了作为活性位点的铁离子与NO的接触，使材料的气敏性能仍无法满足实际应用需求。

二茂铁作为一种常见的金属有机小分子，在催化、医药、农业等领域已有诸多应用。其所具有的双共轭环三明治结构，既可与大π键体系的石墨烯之间形成有效的π-π自组装，又不会因此阻挡中心铁离子作为接触位点，且其自身化学性质较为稳定。可以预见，选取二茂铁作为敏感材料与石墨烯复合，可有效地锚定铁离子于石墨烯片层的表面，通过电荷传递将其对NO的特异性响应反映至石墨烯电学性质的变化，最终实现复合材料对NO的高效传感。

本工作以二茂铁和石墨烯为原料，通过一步溶剂热法制备了二茂铁-石墨烯复合材料（Fc/rGO），并应用于化学电阻式NO室温传感。基于该材料的传感器件表现出稳定、高效的NO传感性能，且具有优异的选择性。

图1. Fc/rGO的制备过程。

室温条件下，Fc/rGO对1 ppm的NO的响应值为1.73倍，材料的实际检测限低至200 ppb，材料具有良好的可回复性、优秀的稳定性（40天内响应值损失低于4%）和优秀的气体选择性。通过对比实验和X射线光电子能谱（XPS）表征，我们发现二茂铁的引入使材料对一氧化氮的吸附能力增强，从而导致了材料对NO的高响应性，其中铁元素在NO的传感中发挥了特异性吸附的作用。通过密度泛函理论计算，证明二茂铁以“边对面”π-π堆积的方式与石墨烯复合，两者间相互作用使结合处的电子云密度显著增大，为传感过程中的电荷传递提供必要条件。

图2. (a) Fc/rGO的传感机理示意图；(b) Fc/rGO的NO传感性能图，分别为响应-回复曲线（1 ppm NO）和浓度梯度响应曲线。测试条件均为室温。

课题组硕士生张路路为本文第一作者，华南师范大学华南先进光电子研究院王耀教授和高宜逊副研究员为论文共同通讯作者，华南师范大学为第一完成单位。本研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、“111计划”、广东省光信息材料与技术重点实验室、广东省教育厅创新团队和广州市科技计划等项目的支持。

王耀教授团队领导的先进信息材料（AIM）课题组在光、电、气体和温度等响应型功能信息和智能传感材料研究方面取得了一系列重要突破，近三年已在《Advanced Functional Materials》、《ACS Nano》、《Advanced Science》、《Small》、《Journal of Materials Chemistry A》、《ACS Applied Materials & Interfaces》、《ACS Sensors》等国际期刊上发表20多篇原创性学术论文，为华南师范大学在功能信息和智能传感材料领域的科学研究做出了贡献（课题组网站www.scnuaim.cn）。

        论文链接：https://doi.org/10.1016/j.talanta.2024.127365

        撰稿人：高宜逊

        公众号推文链接：华南师范大学王耀教授团队《Talanta》：“边对面”π-π堆积的二茂铁-石墨烯复合纳米片用于ppb级室温一氧化氮气体传感