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華南師大周國富教授團隊王耀教授課題組《ACS AMI》:無定形血晶素核/丙酮衍生碳化聚合物殼核殼納米球修飾石墨烯用于室溫NO傳感
2023-03-29  來源:高分子科技

創新點

  本文首次合成了一種以無定形血晶素為核/丙酮衍生碳化聚合物為殼的核殼納米球(HNS),將其與石墨烯復合(HNS-rGO)后在室溫下表現出優異的NO傳感性能,包括高響應值、低實際檢測限和長時間穩定性。這種優異的性能主要來源于無定形血晶素核攜帶的更多的Fe-N4活性位點及丙酮碳化聚合物殼層所提供的物理保護作用。



  呼出氣一氧化氮(Fractional concentration of Exhaled Nitric OxideFeNO))是目前研究較多的一項檢測氣道炎癥的生物學標志物。FeNO在診斷氣道嗜酸性粒細胞炎癥、預測類固醇激素治療有效性以及協助診斷哮喘方面發揮著重要作用,因此,研發兼具高靈敏度、良好的循環穩定性及選擇性等優點,且制備簡單、成本低廉的室溫一氧化氮氣體傳感材料是十分迫切的。


  之前的工作(Small 2022, 18 (11), 2103259)發現,將血晶素(Fe(III)- protoporphyrin IX Hemin)負載于石墨烯上可制得對NO具有特異性響應的復合材料,然而大多數Hemin分子會趨于結晶,這會占據Hemin分子中Fe-N4活性位點,從而抑制其NO傳感能力,因此,打破Hemin晶體,釋放更多的Fe-N4活性位點是提高其NO傳感能力的潛在解決方式。本工作通過溶劑熱法以血晶素和丙酮為原料制備了一種核殼結構的納米球HNS丙酮溶劑熱形成的碳化聚合物成功破壞了血晶素的晶體結構,構筑了一種獨特的以無定形血晶素為核,碳化聚合物為殼的核殼結構納米球。將其與石墨烯復合后得到了對NO具有特異性響應的復合材料HNS-rGO 


 1 材料制備示意圖


  實驗表明,該材料HNS-rGO在室溫下表現出對NO氣體的較好響應,包括高響應值(Ra/Rg = 5.8, 20 ppm)和低實際檢測限(100 ppb),同時,該材料具有良好的可回復性(大于6次響應-回復循環)、穩定性(120天內響應值損失低于3%)和高選擇性。 


響應性能表征


  該材料對NO具有優異的傳感能力可歸因于兩個方面,一方面丙酮衍生碳化聚合物殼層成功打破了血晶素的晶體結構,釋放了更多的Fe-N4活性位點;另一方面,丙酮衍生碳化聚合物殼層也提供了額外的物理保護作用。本工作不僅為設計高性能NO傳感系統提供了新的策略,也為含碳化聚合物的核殼納米材料開辟了新的途徑。 


傳感機理示意圖


  相關研究成果發表于國際期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》 (影響因子:10.383)上,題為“Assembly of Core/Shell Nanospheres of Amorphous Hemin/Acetone-Derived Carbonized Polymer with Graphene Nanosheets for Room-Temperature NO Sensing”DOI: 10.1021/acsami.2c16769)。課題組19級碩士研究生王建強為論文第一作者,華南師范大學王耀教授為論文通訊作者,華南師范大學為第一完成單位。


  周國富教授團隊王耀教授領導的先進信息材料(AIM)課題組在光、電、氣體和溫度等響應型功能信息和智能傳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等國際期刊上發表20多篇原創性學術論文,提升了華南師范大學在功能信息和智能傳感材料領域的學術影響力。


  本研究工作得到了國家自然科學基金、、廣東省自然科學基金“111計劃、廣東省光信息材料與技術重點實驗室、廣東省教育廳創新團隊和廣州市科技計劃等項目的支持。


  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c16769

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(責任編輯:xu)
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