我院孙君副教授团队在《Small》发表重要研究成果

肼（N₂H₄）作为一种广泛使用的工业化学品和火箭推进剂，具有高毒性、易挥发和易爆特性，已被美国国家毒理学计划和国际癌症研究机构列为2B类致癌物。其在生产、储存、运输和使用过程中极易引发灾难性事故，因此开发能够在室温下工作、具备高灵敏度、快速响应/恢复以及低成本特点的N₂H₄气体传感器，成为科学研究和实际应用的迫切需求。当前传统金属氧化物半导体和常规碳材料在N₂H₄检测中普遍存在能耗高、恢复慢且材料功能化改性易产生污染等问题。为突破这些局限，研究者们开始关注绿色、可持续的制备策略。冰模板法作为一种“绿色成孔”技术，以水作为唯一模板剂，可构筑具有高度定向结构的分级多孔三维网络骨架。气凝胶材料则具备超低密度、高孔隙率和良好的结构继承性。将海藻生物质裙带菜与海藻酸钠共同制备成气凝胶后碳化，可得到多孔结构的原位多元素自掺杂碳材料，能有效调控材料电子结构、丰富表面活性位点，进而大幅提升对目标气体的吸附能力与表面反应活性。将裙带菜转化为高性能气敏材料符合绿色循环经济的理念，并为开发绿色、低成本、高性能的N2H4传感器提供新路径。

本研究以碳化后的裙带菜为生物质骨架、海藻酸钠为粘结剂，通过调控两者的质量比，结合冰模板法与冷冻干燥技术制备气凝胶前驱体，经碳化得到多元素自掺杂的多孔碳材料。利用SEM、TEM、BET、XPS、Raman等表征手段，系统分析了材料的形貌、孔隙结构、缺陷程度、表面化学状态与元素分布，发现优化后的US‑1.5样品具有最均衡的分级介孔/大孔结构、最高的孔隙率以及最高的表面化学吸附氧的含量。在室温下系统评估了US-1.5对N₂H₄及其他干扰气体的传感性能，结果显示US‑1.5对500 ppm N₂H₄的响应值高达22.53k%，响应与恢复时间分别仅为21.3 s和2.5 s，理论检测限低至0.138 ppm，并表现出优异的选择性、重复性和长期稳定性。同时发现该材料在低于64%RH时对N₂H₄的响应占主导，而在高湿环境下（≥ 64%RH）表现为湿度响应，说明具备双模式传感潜力。进一步通过密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算，从原子层面揭示了S掺杂能够增强材料对N₂H₄和O₂的吸附能、促进电荷转移及轨道杂化。整体而言，本研究建立了一种绿色、低成本、高性能的N₂H₄气敏材料制备策略，为利用海藻废弃物开发多功能气凝胶衍生碳材料提供了实验与理论依据。

图1. US-1.5样品制备流程图

图2. US-1前体、US-1.5前体和US-2前体的(a)热重曲线；US-1、US-1.5和US-2的(b)XRD 图谱，(c)傅里叶变换红外光谱，(d)拉曼光谱

图3. (a-c)US-1.5前驱体的表面SEM图像，(d-f)横截面SEM图像；US-1.5的(g-i)SEM图像，(j-l)TEM图像，(m-t)能谱元素分布图

图4. US-1.5的(a)N₂吸附/解吸等温线，(b)孔径分布，(c)XPS扫描能谱，(d)C 1s能谱；US-1.5、US-1和US-2的(e-g)O 1s光谱，(h)C-O、OC和OV的相对百分含量

图5. US-1、US-1.5和US-2对(a)500 ppm多种气体的响应曲线，(b)响应统计（插图为选择性统计），(c)响应时间统计和(d)恢复时间统计

图6. US-1.5传感材料性能：(a)对25至500 ppm浓度范围内N₂H₄的动态响应曲线；(b)相应的校准拟合曲线；(c)经过6次连续响应-恢复循环的稳定性评估；(d)响应值的波动；(e)比较响应曲线；(f)运行2、12、22和32天后响应幅度、响应时间和恢复时间的统计分析

图7. US-1.5在(a)空气和(b)N₂H₄中的状态；(c)US-1.5传感机制的示意图

图8. (a)不同体系中N₂H₄与O₂的吸附能比较；(b)S未掺杂或(c)掺杂缺陷石墨烯上N₂H₄吸附的PDOS；(d)不同体系的Bader电荷转移与CDD分析；(e)S未掺杂或(f)掺杂缺陷石墨烯上O2吸附的PDOS

1.采用冰模板法以水为绿色模板，制备气凝胶前驱体衍生的分级多孔碳材料，实现了海洋生物质裙带菜废弃物的绿色高值化利用，为生物质基气敏材料的制备提供了新方法。

2.裙带菜天然富含的Na、Ca、S多种微量元素实现原位自掺杂，并结合DFT计算从原子层面揭示了S掺杂增强材料对目标气体吸附能力、促进电荷转移的微观作用机制，为高灵敏度碳基气敏材料的元素设计提供了理论依据。

本研究得到了新疆维吾尔自治区科技计划项目-两区项目（Grant No.2025D04012）、新疆大学优秀博士研究生创新项目（Grant No.XJU2023BS030）、新疆维吾尔自治区科技计划项目-重点研发专项（Grant No.2023B2045、2024LQ01001-3）以及新疆维吾尔自治区“天山英才”培养计划项目（Grant No.2024TSYCCX0007）、新疆大学2025校级本科生创新培训计划项目（Grant No.XD10755049）的资助。

https://doi.org/10.1002/smll.202512217