多异质结构与表面自由基协同增强聚苯胺/磷化锡/氮掺杂还原氧化石墨烯室温氨气传感性能研究

针对环境监测中高灵敏度、高选择性氨气(NH3 )检测的迫切需求，研究人员通过构建PANI/SnPx /N-rGO多异质结构，结合表面自由基活化策略，实现了室温下3.1@40 ppm的高灵敏度、36.8 ppb的低检测限及湿度增强效应，为新型气体传感器设计提供了创新机制。

　　

氨气作为一种常见的大气污染物，即使在低浓度下也会刺激人体黏膜，通过呼吸道进入血液后可能导致中枢神经损伤、肝脂肪变性和心肌病变。传统金属氧化物传感器存在工作温度高、选择性差等问题，而金属磷化物(MPs)凭借高导电性和多电子轨道特性成为新兴传感材料，但面临活性位点不足的挑战。

济南大学的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表研究，通过将磷化锡(SnP_x
)纳米颗粒分散于氮掺杂还原氧化石墨烯(N-rGO)载体，再包覆聚苯胺(PANI)薄膜，构建了具有多重异质界面的PANI/SnP_x
/N-rGO复合传感器。该材料在室温下对NH₃
表现出3.1@40 ppm的响应值，检测限低至36.8 ppb，且在70%湿度下响应提升至2.7@10 ppm。研究揭示了表面羟基自由基通过水解离促进气体吸附的新机制。

关键技术包括：静电吸附法制备SnO₂
/N-rGO前驱体、气相磷化反应合成SnP_x
、原位聚合构建PANI包覆层，以及X射线光电子能谱(XPS)和电子顺磁共振(EPR)表征自由基活性。

【结构表征】
透射电镜证实SnP_x
纳米颗粒均匀分散在N-rGO片层上，PANI薄膜形成连续包覆。XPS显示Sn⁴⁺
/Sn²⁺
混合价态及P-O键的存在，EPR检测到g=2.003的自由基信号。

【传感机制】
氧分子从材料导带捕获电子形成空穴，NH₃
与吸附氧反应释放电子使电阻回升。湿度升高时，表面水解离产生羟基自由基(·OH)，通过氢键作用增强NH₃
吸附，EPR证实·OH浓度与湿度正相关。

结论表明，该研究通过多异质结构设计实现了能带精确调控，首次揭示表面自由基对气体传感的增强作用。其室温检测能力适用于呼气分析等领域，湿度增强特性为复杂环境监测提供新思路，相关机制对开发其他气体传感器具有普适指导意义。