Sensor Gas Amonia Respons Cepat dan Sensitivitas Tinggi Berbasis Tipis Film Grafit Oksida Berlubang Tereduksi
Abstrak
Performa pengesan gas pada tipis film grafin seringkali terbatas oleh tumpukan nanosheet, yang mengurangi aksesibilitas permukaan. Di sini kami memperkenalkan sensor amonia (NH₃) baru yang menggunakan tipis film grafit oksida berlubang (HGO). Nanosheet HGO dihasilkan melalui gravir photo-Fenton yang dibantu UV dari grafit oksida, menciptakan struktur pori satu lapis. Lembar kemudian diurangi secara kimia dengan pirrol untuk membentuk grafit oksida berlubang tereduksi (rHGO). Dengan mencairkan suspensi rHGO pada elektroda interdigitated, kami membuat sensor chemiresistif yang memberikan perubahan resistansi 2,81 % pada 1 ppm NH₃ dan 11,32 % pada 50 ppm. Menakjubkan, sensor secara mandiri kembali ke baseline tanpa pemanasan eksternal atau iluminasi UV/IR dan mempertahankan repeatabilitas yang luar biasa selama beberapa siklus. Desain biaya rendah dan energi rendah serta sensitivitas luar biasa menjadikan sensor tipis film rHGO ini platform yang menjanjikan untuk deteksi amonia portabel di lingkungan, industri, dan setting medis.
Pendahuluan
Sensor chemiresistif sangat penting dalam pemantauan lingkungan, keselamatan industri, dan kesehatan. Namun, sensor gas solid-state konvensional kesulitan dengan stabilitas dan sensitivitas jangka panjang. Material terstruktur nano—nanowires, nanotipa karbon, dan grafin—menawarkan performa unggul karena rasio luas permukaan-volume yang tinggi, konduktivitas listrik yang baik, dan kemudahan pembuatan. Grafin, jaring karbon satu lapis, sangat menarik: densitas pembawanya sangat responsif terhadap adsorpsi permukaan, yang memungkinkan deteksi gas seperti NO₂, NH₃, CO, dan H₂O. Grafit oksida tereduksi (rGO) mempertahankan banyak manfaat grafin sambil hemat biaya dan dapat diskalakan. Namun, sebagian besar sensor rGO bergantung pada film dua dimensi yang cenderung menumpuk, yang membatasi luas permukaan yang dapat diakses. Dengan mengubah rGO menjadi struktur pori berlubang, kami dapat secara dramatis meningkatkan interaksi gas dan respons sensor.
Bahan dan Metode
Bahan
Bubuk grafin alami (Tianyuan, China), pirrol (Suzhou Chemical Reagents), dan sulfat besi ferrous (Shanghai Chemical Reagents) digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut. Semua pelarut didistilasi sebelum penggunaan.
Persiapan HGO
Grafit oksida (GO) disintesis melalui metode Hummers yang ditingkatkan. Sebanyak 57,5 mL larutan H₂SO₄ 2 M dicampur dengan 2 g grafit, diaduk, kemudian ditetapkan dengan NaNO₃, KMnO₄, dan H₂O₂. Setelah pencucian ekstensif dengan 3 % HCl dan air, produk kering dispersi pada 0,5 mg mL⁻¹ dan di-sonikasi. Untuk gravir photo-Fenton, 20 mL H₂O₂ dan 100 µL FeSO₄ ditambahkan ke dalam 5 mL dispersi GO, di-sonikasi, dan pH disesuaikan menjadi 4 dengan 1 % HCl. Iradiasi UV menginduksikan reaksi photo-Fenton, menciptakan pori skala nano pada lembar GO. HGO yang dihasilkan di-dialisis selama satu minggu untuk menghilangkan ion dan reagen tersisa.
Persiapan rHGO
HGO (1 mg mL⁻¹, 50 mL) di-sonikasi selama 1 jam, kemudian dicampur dengan 1 mg pirrol yang dilarutkan dalam 10 mL etanol. Setelah 20 menit sonikasi, campuran direfluks pada 95 °C selama 12 jam. Produk difilter, dicuci dengan DMF dan etanol, dan dikeringkan, menghasilkan rHGO dengan grup fungsional oksigen yang diurangi dan rantai polipirrol yang terpasang.
Pembuatan Sensor Gas
Elektroda interdigitated (8 pasang, panjang jari 600 µm, jarak 5 µm) dibuat melalui sputter Cr (10 nm) dan Au (180 nm) pada wafer silikon yang diform litografi, diikuti oleh lift-off. Sejumlah 0,05 µL titik suspensi etanol rHGO 1 mg mL⁻¹ ditetapkan pada array elektroda dan diizinkan kering di udara, membentuk jaringan konduktif berkelanjutan.
Pengukuran Pengesan Gas
Sensor ditempatkan dalam kamus uji kustom. NH₃ kering dihasilkan dengan membuahkan udara melalui larutan NH₃ air 4 % dan melalui tabung pengering NaOH. Konsentasi dikontrol dengan pengenceran udara dan dipantau dengan mass flow meter; laju aliran total dipertahankan pada 1,0 L min⁻¹. Perubahan resistansi direkam pada 500 mV menggunakan tester semiconductor Agilent 4156C pada 25 °C.
Hasil dan Pembahasan
Sintesis dan Karakterisasi HGO dan rHGO
Citra AFM mengungkapkan pembentukan lubang setelah 1 jam reaksi photo-Fenton, mengonfirmasi pembentukan pori yang berhasil. Ketebalan meningkat dari ~1 nm (GO) menjadi ~1,9 nm (HGO), yang mengindikasikan struktur satu lapis. Spektrum XPS menunjukkan penurunan signifikan puncak C–O dan C=O setelah reduksi pirrol, dan munculnya puncak N 1s mengonfirmasi pemasangan polipirrol. Rasio C/O naik dari 2,2 (HGO) menjadi 5,1 (rHGO), yang menggarisbawahi deoksigenasi yang efektif.
Spektrum Raman menunjukkan pita D dan G pada 1346 cm⁻¹ dan 1597 cm⁻¹, masing-masing. Rasio I_D/I_G menurun dari 1,29 (HGO) menjadi 1,12 (rHGO), yang mencerminkan ukuran domain sp² yang meningkat dan gangguan yang berkurang.
Performa Pengesan Gas
Citra SEM mengonfirmasi jaringan rHGO seragam yang menjembatani jari elektroda, menghasilkan resistansi baseline ~1 MΩ pada 500 mV. Saat diekspose pada NH₃, resistansi sensor meningkat dengan cepat, mencapai perubahan 2,81 % pada 1 ppm dan 11,32 % pada 50 ppm. Pemulihan ke dalam 90 % baseline terjadi dalam 2 menit menggunakan udara kering saja, tanpa iluminasi UV atau IR. Sensor mempertahankan performa stabil selama beberapa bulan dan di seluruh empat siklus paparan 50 ppm berturut-turut, menunjukkan repeatabilitas yang luar biasa.
Uji selektivitas terhadap uap jenuh xylene, aseton, sikloheksana, kloroform, klorida metilena, dan metanol (masing-masing dicairkan hingga 1 % dari saturasi) menunjukkan bahwa respons NH₃ lebih dari 2,5 kali lipat, mengonfirmasi selektivitas yang kuat.
Kesimpulan
Kami telah mengembangkan sensor NH₃ berbasis tipis film grafit oksida berlubang tereduksi yang menawarkan responsivitas tinggi, respons cepat, pemulihan singkat, dan selektivitas luar biasa. Rute pembuatan pencairan titik yang mudah, dikombinasikan dengan biaya bahan rendah dan konsumsi energi minimal, memosisi teknologi ini sebagai calon kuat untuk detektor amonia portabel generasi mendatang.
