文献信息
文献名称：Room-Temperature Hydrogen Sensor with High Sensitivity and Selectivity using Chemically Immobilized Monolayer Single-Walled Carbon Nanotubes
发表时间：2023.5
所属期刊：Advanced Functional Materials
DOI：10.1002/adfm.202213381
引言
本文介绍了一种室温下对氢气具有高灵敏度和选择性的氢气传感器，该传感器基于化学固定单层单壁碳纳米管（sc-SWNTs）。尽管sc-SWNTs对多种气体表现出优异的感测特性，但其商业化受到制造均匀密度和厚度薄膜困难等障碍的阻碍。本研究报道了一种制造方法，通过在基底上使用点击化学反应固定azide功能化聚合物包裹的sc-SWNTs，并装饰Pd纳米颗粒（0.5-3.0 nm），实现了优异的可重复性、高灵敏度和对CO、CO2和CH4的选择性。优化后的sc-SWNT传感器在室温下对1% H2气体的响应为285，响应和恢复时间分别为10秒和3秒。该传感器还表现出对其他气体和湿度的高度选择性，化学固定单层SWNT薄膜的可重复性和均匀密度使其有望大规模制造出稳健的室温H2传感器。
结果讨论
Figure 1 主要展示了PMMA涂层Pd装饰sc-SWNT氢气传感器的制备过程、原子力显微镜(AFM)图像以及透射电子显微镜(TEM)图像。具体内容包括：
1.制备过程 (Figure 1a)：描述了制造sc-SWNT氢气传感器的主要步骤，包括化学锚定、沉积金/铬电极、Pd纳米颗粒沉积和PMMA涂层。
2.AFM图像：Pd-sc-SWNT薄膜 (Figure 1b)：显示了Pd纳米颗粒装饰的sc-SWNT薄膜的AFM图像，可以看到单个纳米管在表面上均匀互联。
PMMA-Pd-sc-SWNT薄膜 (Figure 1c)：显示了PMMA涂层的Pd-sc-SWNT薄膜的AFM图像，表明PMMA层均匀覆盖了sc-SWNT网络的整个表面。
3.TEM-EDS图像 (Figure 1d)：展示了Pd-sc-SWNT薄膜的横截面形态，显示了Pd纳米颗粒在sc-SWNT网络上的分布情况，以及Pd (111)平面的晶格间距为0.22 nm。
这些图像和制备步骤共同展示了传感器的微观结构和制造工艺，为理解传感器的性能提供了基础。
Figure 2 主要展示了通过点击反应和旋涂法制备的sc-SWNT基氢气传感器的性能比较。具体内容包括：
1.传感器响应比较：对比了使用点击反应和旋涂法制备的sc-SWNT基氢气传感器的响应和可重复性。使用点击反应制备的传感器显示出更小的设备间偏差，表明了更好的可重复性。
2.灵敏度比较：点击反应制备的传感器比旋涂法制备的传感器灵敏度高，最高可达八倍。
3.传感器性能差异原因：点击反应制备的传感器在化学组装过程中通过超声去除多余的聚合物，促进了sc-SWNTs之间的电荷转移，增加了活性区域。而旋涂法制备的多层sc-SWNT薄膜由于聚集现象，减少了可用的表面积体积比，从而降低了传感器灵敏度。
4.长期稳定性：点击反应制备的传感器由于化学锚定的sc-SWNTs能够形成耐用的薄膜，能够承受恶劣环境条件，与旋涂法制备的传感器相比，具有更好的长期稳定性。
综上所述，Figure 2 强调了点击反应制备方法在制造具有高均匀性、高灵敏度和良好长期稳定性的sc-SWNT基氢气传感器方面的优势。
Figure 3 主要展示了PMMA层对Pd装饰sc-SWNT基氢气传感器性能的影响。具体内容包括：
1．PMMA薄膜的SEM图像：展示了使用不同溶剂（丙酮、苯甲醚和氯苯）制备的PMMA薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。图像显示了不同溶剂对PMMA薄膜形态的影响，其中丙酮制备的PMMA薄膜呈现出不均匀的厚膜和特定的蜂窝状图案，而苯甲醚和氯苯制备的PMMA薄膜则更为均匀且薄。
2.PMMA薄膜对传感器响应的影响：比较了有无PMMA涂层以及使用不同溶剂制备的PMMA涂层对传感器在1% H2气体中响应的影响。结果表明，使用苯甲醚制备的PMMA涂层的传感器展现出最高的响应，其次是氯苯，而丙酮制备的PMMA涂层的传感器响应最低。
3.PMMA涂层对传感器选择性的影响：展示了优化后的传感器（PMMA-Pd-SWNT基传感器）对CO、CO2和CH4的选择性。由于PMMA作为选择性膜的理想自由体积适用于小动力学直径的气体如H2，传感器在不同环境下均保持了响应。
综上所述，Figure 3 强调了PMMA涂层，特别是使用特定溶剂制备的PMMA涂层，对提高Pd装饰sc-SWNT基氢气传感器的响应性和选择性的重要性。
Figure 4 主要展示了优化后的PMMA-Pd-sc-SWNT基氢气传感器的性能测试结果。具体内容包括：
1.动态瞬态响应 (Figure 4a)：展示了优化后的传感器对不同浓度氢气（从0.002%到2%体积比在空气中）的动态响应。测试中，传感器在室温下对氢气的响应随浓度变化而变化，显示出在宽浓度范围内的高响应性。
2.重复性测试 (Figure 4b)：展示了传感器在1%氢气浓度下经过十个周期的重复性测试结果。传感器表现出一致的响应，没有明显的降解或漂移，显示了其稳定的开关性能。
3.响应和恢复时间 (Figure 4c)：定义了传感器的响应时间（达到最大电阻变化的90%所需的时间）和恢复时间（达到基线电阻的10%所需的时间）。传感器在1%氢气下展现出短响应时间10秒和短恢复时间3秒。
4.长期稳定性测试 (Figure 4d)：展示了传感器在1%氢气下超过60天的长期稳定性测试结果。传感器的响应值随时间没有显著变化，表明了PMMA层对Pd活性位点的保护作用，以及对环境湿度的防护作用。
综上所述，Figure 4 强调了优化后的PMMA-Pd-sc-SWNT基氢气传感器在宽浓度范围内的高灵敏度、快速响应与恢复以及长期稳定性，这些都是实际应用和商业化中非常重要的性能指标。
Figure 5 主要探讨了湿度对Pd-sc-SWNT基氢气传感器性能的影响，特别是有无PMMA涂层的情况下。具体内容包括：
1.湿度对未涂层传感器的影响 (Figure 5a)：展示了在不同湿度条件下（20%至85%相对湿度），未涂覆PMMA层的Pd-sc-SWNT传感器对0.1%氢气的响应。结果表明，随着湿度的增加，传感器的响应值显著变化，说明大气湿度对未涂层传感器的性能有显著影响。
2.湿度对涂层传感器的影响 (Figure 5b)：展示了涂有PMMA层的Pd-sc-SWNT传感器在相同湿度条件下对0.1%氢气的响应。与未涂层传感器相比，即使在较高湿度下，涂有PMMA层的传感器的响应也没有显著变化，显示出良好的稳定性。
3.PMMA层的保护作用：PMMA层不仅作为选择性层提高了传感器的选择性，还作为湿度屏障层保护了传感器，防止了水分子的扩散，从而在高湿度环境下保持了传感器性能的稳定性。
综上所述，Figure 5 强调了PMMA涂层在提高Pd-sc-SWNT基氢气传感器抗湿度干扰能力方面的重要性，这对于传感器的实际应用和长期稳定性至关重要。
结论
文章的结论部分主要强调了通过点击化学反应在烷炔聚合物处理的基底上化学锚定高纯度的半导电单壁碳纳米管（sc-SWNTs），成功制造出了可重复、高灵敏度和高选择性的PMMA-Pd-sc-SWNT基室温氢气传感器。优化后的传感器在广泛的氢气浓度范围内（20 ppm至2%）展现出高达285的响应值，并且在1%氢气中具有10秒的响应时间和3秒的恢复时间。此外，由于涂覆了薄层PMMA，传感器在室温下表现出对氢气的单选性和对湿度的不敏感性。与通过重复旋涂法制备的非均匀多层膜相比，点击反应法制备的传感器展现了更好的性能，这归功于化学绑定控制sc-SWNT网络密度的能力，以制造出可重复和均匀的单层SWNT薄膜，优化的Pd厚度，以及对抗有毒气体和湿度的聚合物层屏障。因此，该研究为大规模采用室温下可重复和均匀密度的SWNT基氢气化学电阻型传感器提供了新的方法，以满足不断扩展的传感器应用需求。
