华中科技大学《AFM》：杂化h-BN/石墨烯气凝胶，用于超高灵敏度和选择性氨传感

图1、a-d） BN-GA 和 BNA 合成过程的示意图：a-b） GO 片材交联、冷冻干燥、退火形成 GA（黑色）。c，d） GA 转化为 BN-GA 和 BNA。e–g） GA、BN-GA 和 BNA 的典型 SEM 图像。

图2、使用 a-c） 低质量和 d-f） 高质量碳模板合成 h-BN 的过程示意图。

图3、a） BN-GA 的 ABF 扫描 TEM 图像。b–d） 分别为 C、B 和 N 的元素映射。e） BN-GA 的低放大倍率 TEM 图像。f） BN-GA 的放大 TEM 图像。g，h） BN-GA 和 BNA 的相关 SAED 模式。i） BN-GA 的核损耗 EEL 频谱。j） GA、BN-GA 和 BNA 的 FTIR 光谱。

图4、分别在 a-c） BNA、d-f） BN-GA 和 g-i） GA 样品上获得的 B 1s、C 1s、N 1s 区域的高分辨率 X 射线光电子能谱。

图5、 a) Cross-section schematic of the CS-FET. b) Optical micrograph of the chip showing the CS-FET. c) Local magnification of the CS-FET. d) Real-time sensor response to different concentrations of NH 3 at room temperature. The inset is the relationship between normalized sensor response and low concentrations of NH 3 . Schematic diagrams of band alignment between the BN-GA sensing layer and ultra-thin silicon channel in NH 3 -sensitive CS-FET e) before and f) after NH 3 adsorption. g) The normalized response to high concentrations of NH 3 . h) Selectivity of the BN-GA sensor compared to GA alone at room temperature. 。

图6、Top and side views of the optimized structure of NH 3 adsorption on a) graphene nanosheet and d) h-BN/graphene heterostructure. Charge density difference of NH 3 adsorption on b) graphene and e) h-BN/graphene heterostructure. The slices of charge density difference of NH 3 adsorption on c) graphene and f) h-BN/graphene heterostructure. g) TDOS of NH 3 and BN-GA before and after NH 3 adsorption. h) PDOS of B and N atoms before and after adsorption.

总之，我们提出了一种高度可控的转化方法，即以高活性氨气为氮源、硼酸为硼源，利用 GA 模板合成 BN 基气凝胶。通过改变 GA 模板的质量和反应条件，可以获得 BN-GA 和 BNA。在保持多孔宏观和纳米级形态的同时，还可以对成分和密度进行微调。我们发现，h-BN 转换的难度与碳模板的质量呈正相关，这一点在使用其他不同质量的碳模板（石墨烯和 CNT）进行的转换实验中得到了进一步证明。在传感应用方面，通过在 CSFET 上集成超薄高缺陷 h-BN 涂层石墨烯气凝胶，制备了超灵敏 NH3 传感器。作为涂层，h-BN 显著改变了石墨烯气凝胶的选择性。DFT 模拟表明，在高缺陷 h-BN 的影响下，NH3 分子与气凝胶之间的吸附能和电荷转移大大增强，从而使其能够有效地识别和捕获氨分子。我们的研究为合成基于BN的三维气凝胶提供了一种新方法，强调了追求高比表面积在开发气体传感平台中的重要性。此外，它还为开发基于多种材料复合的高效气体传感器开辟了新的前景。