基于AgI功能化石墨烯的高灵敏、快速响应、高选择性碘气体传感器的设计与应用

为解决核能应用中放射性分子碘(I2)的实时监测难题，研究人员开发了一种由还原氧化石墨烯(rGO)、碘化银(AgI)和聚苯乙烯磺酸盐(PSS)组成的三组分传感材料。该材料通过AgI介导的I2可逆吸附及多碘化物转化机制，实现了25 ppb的检测限、22秒级动态响应/恢复时间及室温操作性能，其原型传感器在流动/密闭场景中均显著优于商用设备，为核设施安全与环境监测提供了突破性解决方案。

　　

核能作为清洁能源在缓解全球能源危机中扮演关键角色，但核反应堆运行过程中产生的放射性碘（¹²⁹I和¹³¹I）以气态分子I₂形式存在，不仅威胁人体健康（如甲状腺癌风险），还会通过大气扩散造成环境污染。现有核电站碘监测技术依赖笨重设备且无法实时检测，而商业传感器普遍存在灵敏度低（ppm级）、响应慢（分钟级）或不可重复使用等问题。针对这一挑战，广州国家实验室（原广州再生医学与健康广东省实验室）的Zhuo Chen、Qiong Lei等研究人员通过创新性材料设计，开发出迄今性能最优的碘气体传感器，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究团队采用密度泛函理论(DFT)计算指导材料设计，通过一步组装法制备Ag-PSS-rGO复合材料，结合原位X射线衍射(XRD)和拉曼光谱揭示传感机制，并构建多功能传感器原型进行性能验证。关键技术包括：（1）DFT模拟石墨烯/I₂及多碘化物复合体系的电荷转移效应；（2）Operando表征平台实时监测Ag→AgI转化及I₃^-/I₅^-生成动力学；（3）动态/静态双模式测试系统模拟实际应用场景。

设计原理与材料制备

理论计算表明，I₂吸附使石墨烯费米能级下移，而多碘化物（I₃^-/I₅^-）可产生更显著的电荷密度变化（

）。据此设计的Ag-PSS-rGO复合材料中，PSS提升rGO分散性，Ag颗粒经I₂活化后转化为AgI活性位点，实现I₂→多碘化物的可逆转化与信号放大。

Operando表征

原位实验捕捉到关键过程：Ag在I₂中完全转化为β-AgI（XRD 2θ=22.3°），随后出现I₃^-(106.7 cm^-1)和I₅^-(171.5 cm^-1)特征峰（

）。恢复阶段多碘化物信号缓慢衰减，证实传感过程的动态可逆性。

传感性能

AgI-PSS-rGO传感器在动态模式（气流）下实现22秒响应/恢复时间，静态模式（密闭空间）下仅需4.2/11秒，检测限低至25 ppb（OSHA标准的1/4000）。对比测试中，其对I₂的响应强度是Cl₂/NO₂的3倍以上，且不受CH₃I干扰（

）。原型传感器在60 ppb I₂检测中表现优于商用设备（

）。

该研究通过AgI-rGO协同机制解决了传统碘传感器灵敏度与响应速度不可兼得的矛盾，其原型设备兼具便携性（320g）和无线传输功能，为核事故应急响应与日常监测提供了革新工具。材料设计策略还可拓展至其他有害气体检测领域，推动二维材料在环境传感中的应用边界。