山东理工大学尹广超教授/郑州大学卢思宇教授科研团队《Advanced Materials》成果:扭曲自愈柔性传感器,实现室温超灵敏NO₂检测

1. 研究背景

二氧化氮（NO₂）作为主要大气污染物，对人体健康和生态环境构成严重威胁，亟需开发高灵敏、高选择性的检测技术。传统NO₂传感器多依赖金属氧化物半导体，需在200-400℃高温下工作，存在功耗高、安全性差等问题，难以适配可穿戴场景；现有柔性传感器则面临灵敏度不足、恢复慢、机械稳定性差等局限，且缺乏自愈功能，影响长期使用寿命。亟需开发一种室温工作、超灵敏、兼具机械柔韧性与自愈能力的NO₂传感器，填补可穿戴环境监测的技术空白。

针对这一痛点，山东理工大学尹广超教授与郑州大学卢思宇教授团队联合研发出Au/Pd&PEDOT@rGO@PU柔性传感器。该传感器以聚氨酯（PU）无纺布为柔性基底，集成还原氧化石墨烯（rGO）、Au/Pd双金属纳米颗粒与聚噻吩（PEDOT）复合传感层，实现室温下NO₂的超灵敏检测与扭曲自愈功能，为可穿戴环境监测提供全新方案。

2. 核心研究成果

（1）创新结构与技术设计：构筑协同传感-自愈体系

材料与制备工艺：传感器采用“PU无纺布基底+rGO导电框架+Au/Pd&PEDOT传感层”的层级结构；通过浸渍吸附法在PU表面负载GO，经原位氧化还原自组装形成Au/Pd&PEDOT复合层，最后经水合肼蒸汽还原GO为rGO；PU无纺布的三维多孔结构提供充足气体扩散通道，Au/Pd双金属纳米颗粒与PEDOT形成协同作用（论文1 2.1-2.3节）；

核心机制：PEDOT提供丰富传感位点，Au/Pd双金属纳米颗粒发挥催化作用加速气体吸附/脱附，rGO框架促进电荷快速转移，三者协同提升NO₂传感性能；PU基底的纤维缠绕特性与复合层的界面作用，赋予传感器扭曲自愈能力，断裂后可通过扭曲重构导电通路（论文1 Fig. 1a、3a；2.2-2.4节）；

性能协同：优化Au/Pd原子比为1:1时，传感性能与自愈效果达到最优，实现灵敏度、响应速度与机械稳定性的协同提升（论文1 Fig. 2c、4d；2.3-2.4节）。

（2）关键性能突破：灵敏度、响应速度与机械性能双优

核心传感性能：传感器在28℃室温下工作，对NO₂检测限低至2 ppb，1 ppm NO₂响应值达27%，响应/恢复时间分别为7 s/38 s；检测范围宽（0.1-800 ppm），远超美国EPA 53 ppb的监管阈值（论文1 Fig. 2a、e；2.3节）；

选择性与稳定性：对H₂S、CH₄、NH₃等干扰气体响应可忽略，展现优异选择性；在15-85%相对湿度范围内保持稳定响应，经50次循环测试响应偏差小于5%，64天长期测试性能衰减微弱（论文1 Fig. 2d、g；2.3节）；

机械性能与自愈能力：传感器可承受240%拉伸应变，弯曲角度0-150°时传感性能稳定，30 g负载下信号无明显波动；断裂后通过扭曲自愈可恢复92%的初始响应，响应/恢复时间仅轻微延长至16 s/63 s（论文1 Fig. 4b、d；2.4节）；

环境适应性：具备优异防水性，水浸泡12小时后，传感层无剥离，对200 ppb NO₂的响应保持稳定（论文1 Fig. 5c；2.5节）。

（3）多场景应用落地：覆盖核心需求

可穿戴环境监测：传感器可集成于手套、口罩、衣物等可穿戴载体，实时监测环境中NO₂浓度；在模拟煤矿环境的混合气体中（含200 ppb NO₂与1 ppm干扰气体），仍能保持稳定响应，适配工业污染监测场景（论文1 Fig. 5a-b；2.5节）；

复杂环境适配：凭借良好的机械柔韧性与防水性，可在户外、工业车间等多种复杂环境中稳定工作，无需额外温控或防护设备（论文1 Fig. 4e-f、5c；2.4-2.5节）；

长效耐用监测：扭曲自愈功能大幅提升传感器使用寿命，避免机械损伤导致的性能失效，降低长期监测的维护成本（论文1 Fig. 4d；2.4节）。

3. 图文导读

图1 材料特性与表征

图2 传感器在室温（28°C）下的气体传感性能

图3 Au/Pd&PEDOT@rGO 在室温下检测 NO2 的气体传感机制

图4 柔韧性和扭转辅助愈合性能评估

图5 应用演示

4. 总结：应用价值与未来展望

（1）核心应用价值

1. 可穿戴环境监测：为人体健康防护提供实时NO₂浓度监测，适配日常出行、工业作业等场景；

2. 工业污染预警：可集成于工业设备或车间环境，实现NO₂泄漏的快速预警，保障生产安全；

3. 长效环境监测：自愈功能与长期稳定性降低维护成本，适用于户外、偏远地区等长期监测场景。

（2）未来优化方向

未来可以进一步优化复合传感层的组分比例，提升传感器在高湿度环境下的响应稳定性；拓展传感器的集成化程度，开发多污染物同步检测系统，推动其在智能可穿戴设备与环境监测网络中的工程化应用。

具体细节请阅读原论文......

点击阅读原文，论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202509512

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