机器学习驱动的茚并二噻吩基聚合物带隙调控及化学空间描述符设计研究

本研究针对乙酰丙酮气体检测需求，通过水热法合成氧化石墨烯(GO)协同修饰的CuO纳米片复合材料。CuO/GO-0.4(70°C)传感器在175°C下对100ppm乙酰丙酮响应值达39.29，响应/恢复时间缩短至24s/38s，并展现优异选择性。研究通过第一性原理计算揭示了GO增强电荷传输和氧空位(Ov)缺陷的作用机制，为工业安全监测提供新方案。

　　

在工业生产和环境监测领域，乙酰丙酮作为一种重要的挥发性有机化合物(VOC)，其高挥发性和潜在健康危害使得快速精准检测成为迫切需求。传统金属氧化物传感器虽成本低廉但存在响应慢、选择性差等瓶颈。渤海大学的研究团队创新性地将机器学习与材料设计相结合，开发出性能卓越的CuO/GO纳米复合材料传感器，相关成果发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》。

研究采用水热合成结合水浴处理技术，通过调控GO掺杂比例(0.1-0.5)和热处理温度(50-90°C)制备系列复合材料。借助X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等表征手段确认材料结构，并运用第一性原理计算解析电子能带结构。气体传感测试系统评估了材料对多种VOC的响应特性。

结构表征显示所有样品均呈现单斜晶系CuO特征峰，GO的引入未改变晶体结构但增大了晶面间距。形貌分析证实水浴处理有效抑制纳米片团聚，70°C处理的CuO/GO-0.4呈现超薄纳米片交织网络结构，比表面积达89.6m²/g。传感性能测试表明该材料在175°C对100ppm乙酰丙酮响应值达39.29，较纯CuO提升16倍，且对5ppm低浓度仍保持8.21响应值。机理研究通过密度泛函理论(DFT)计算发现GO的引入使CuO费米能级向价带偏移0.38eV，氧空位形成能降低1.7eV，显著促进气体吸附过程中的电荷转移。

结论与讨论部分指出，该研究首次实现CuO/GO复合材料在乙酰丙酮检测中的应用。GO的二维结构不仅提供电子传输通道，其表面羧基等官能团还增强了气体分子捕获能力。水浴处理诱导的氧空位缺陷与GO形成协同效应，使材料兼具高灵敏度和快速响应特性。这项工作为开发符合ACGIH职业暴露限值(25ppm)要求的工业传感器提供了新思路，其设计策略可拓展至其他VOC检测领域。值得注意的是，28天稳定性测试中传感器性能衰减不足5%，展现出实际应用潜力。研究人员特别强调，该材料对乙酰丙酮的选择性可能源于其独特的分子尺寸匹配效应和氢键相互作用，这为后续靶向传感器设计提供了理论依据。