我院孙君副教授团队在《Composites Part B: Engineering》发表重要研究成果

肼（N₂H₄）是火箭推进剂、医药合成等领域的关键工业原料，但其具有高毒性、易挥发性且存在爆炸风险，对人体健康与生态环境构成严重威胁，因此实现对N₂H₄的快速、灵敏、实时检测具有重要的实际意义。当前金属氧化物半导体气体传感器虽在N₂H₄检测中展现出应用潜力，却普遍需要较高的工作温度，不仅能耗较高，还易出现响应恢复速度慢、长期稳定性不佳等问题。受生物嗅觉系统的启发，仿生结构材料近年来在室温气体传感领域逐渐兴起，但这类材料大多以石油基前驱体制备，存在成本高、不可持续的弊端。在此背景下，利用废弃生物质制备功能性碳材料成为绿色发展的研究热点。海洋生物质因生长速率快、无需占用土地资源，且天然富含多种杂原子而备受关注。同时，高熵设计理念已从传统体系延伸至非金属领域。所制备碳材料形成了具有类似高熵特性的本征多元素构型复杂系统。基于此，本研究以大型海藻裙带菜为原料，融合结构仿生设计与多元素自掺杂策略，开发兼具类高熵碳材料特性与室温高灵敏N₂H₄检测性能的新型碳基传感材料，为环境监测与生物质资源高值化利用提供了新思路。

以海洋生物质裙带菜为原料，通过冷冻干燥结合梯度碳化工艺，构筑了模拟犬类嗅觉仿生结构的多级孔碳材料（UD-500）。该材料天然富含C、O、Na、Ca、P、S多种元素，形成类似高熵的多组分协同效应，有效调控电子结构与表面反应活性。密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算表明，材料中天然掺杂的Ca元素可显著增强对N₂H₄和O₂的吸附能力与电荷转移，证实了其在提升表面反应活性中的关键作用。通过缺陷工程、形貌调控与多元素自掺杂的协同优化，所制备的UD-500材料在室温下对500 ppm N₂H₄的响应值高达14.12k%，理论检测值为1.63 ppm，并展现出优异的重复性、长期稳定性（80天内漂移小于3.5%）。此工作为高性能气体传感器提供了基于海洋生物质的新路径，并推动了废弃生物质的资源化利用。

图1. UD-500样品制备流程图

图2. 原材料的(a-b)表面SEM图像，(c)横截面SEM图像；U-500的(d-e)表面SEM图像，(f)横截面SEM图像；UD-500的(g-i)表面SEM图像（i中插图为实际犬类鼻子），(j-l)横截面SEM图像（l中插图为裙带菜冷冻干燥前后的变化），(m-s)EDS元素分布图。

图3. (a-b)U-500与(c-d)UD-500的N2吸附/解吸等温线及孔径分布；U-500与UD-500的(e-f)XPS扫描能谱，(g-h)C 1s能谱，(i，j)O 1s能谱

图4. U-400、U-500、UD-400和UD-500对500ppm的(a)多种气体的响应曲线，(b)响应值统计，(c)响应时间和(d)恢复时间统计

图5. UD-500传感器性能：(a)对30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16次连续响应-恢复循环的稳定性评估；(d)在500 ppm N₂H₄条件下82天的长期响应稳定性；(e)比较响应曲线；(f)运行2天、42天和82天后的响应、响应时间和恢复时间的统计分析

图6. UD-500在(a)空气和(b)N₂H₄中的状态；(c)UD-500传感机制的示意图；(d)不同结构中目标气体的吸附能及吸附结构；(e)不同结构吸附目标气体的CDD图

1.以海洋生物质裙带菜为原料制备气敏材料，成功实现了对肼的高性能传感检测，材料在室温下对肼的检测兼具优异的选择性、良好的可重复性，以及快速的响应-恢复特性。

2.通过冷冻干燥与梯度碳化工艺，制备出具有犬类鼻镜状结构仿生的多孔碳材料。

3.实现Ca、P、S、Na四种微量元素自掺杂，成功构建出具有类高熵特性的碳材料结构。

4.DFT计算表明，Ca掺杂可显著增强气体吸附能并促进电荷转移。

本研究得到了新疆维吾尔自治区科技计划项目-重点实验室开放课题（Grant No. 2025D04012）、新疆大学优秀博士研究生创新项目（Grant No. XJU2023BS030）、新疆维吾尔自治区杰出青年科学基金项目（Grant No. 2022D01E37）、新疆维吾尔自治区科技计划项目-重点研发专项（Grant No. 2023B2045）以及新疆维吾尔自治区“天山英才”培养计划项目（Grant No. 2024TSYCCX0007）的资助。

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.113085