Ultrasensitive and Highly Selective

Ultrasensitive and Highly Selective Graphene-Based Single Yarn for Use in Wearable Gas Sensor

Abstract
Electric components based on fibers or textiles have been investigated owing to their potential applications in wearable devices. High performance on response to gas, drape-ability and washing durability are of important for gas sensors based on fiber substrates. In this report, we demonstrate the bendable and washable electronic textile (e-textile) gas sensors composed of reduced graphene oxides (RGOs) using commercially available yarn and molecular glue through an electrostatic self-assembly. The e-textile gas sensor possesses chemical durability to several detergent washing treatments and mechanical stability under 1,000 bending tests at an extreme bending radius of 1 mm as well as a high response to NO2 gas at room temperature with selectivity to other gases such as acetone, ethanol, ethylene, and CO2.

Introduction
Fiber-shaped electric components such as thin film transistors (TFTs)1,2,3, light-emitting diodes (LEDs)4, energy harvesters5, energy storage devices6,7,8, and sensors3,9,10 with high performance and flexibility are of great interest owing to their potential applications in portable devices and wearable electronics. Fiber-based gas sensors are expected to have a large number of advantages including excellent drapability, pliability, durability, a light weight, and low cost11. Moreover, compared with conventional solid-state gas sensors or recently explored gas sensors prepared on flexible film or paper, fiber-based gas sensors can be integrated into textiles in various forms12. Thus far, several fiber sensors based on conducting polymers and metal oxides have been developed13,14,15. However, these sensors are unsuitable for flexible and wearable gas sensors owing to their poor mechanical/chemical durability and operation at high temperature. As an alternative approach, graphene and its derivatives have been the focus of research owing to their ultra-high surface area, excellent electrical properties, and good selectivity without the need for a catalyst or modification16,17. Additionally, they show high mechanical strength with flexibility18,19, which makes them ideal candidate materials for high-performance flexible gas sensors20,21,22,23.

Results
Recently, graphene fibers and yarns have been developed for various applications, such as fiber-based supercapacitors, dye-sensitized photovoltaic cells (DSSCs), and photo-detectors24,25,26. However, there have been no reports to date on graphene yarn-based gas sensors. We previously reported an efficient graphene oxide (GO) wrapping method using biomolecules, i.e., bovine serum albumin (BSA), as a mediator for electrostatic self-assembly between the GO and various types of yarn, including cotton, polyester, and nylon27. This method was found to be effective for the preparation of ultrasensitive gas sensors and pliable electronic wires owing to their highly flexible and conducting properties. Herein, we demonstrate the effectiveness of wearable gas sensors based on reduced graphene oxide-decorated yarn (RGOY) with ultra-sensitivity at room temperature using a robust fiber wrapping method (Fig. 1a). RGOY gas sensors including RGO-decorated cotton yarn (RGOCY) and RGO-decorated polyester yarn (RGOPY) were obtained from GO wrapping through an electrostatic self-assembly using BSA and a low-temperature reduction. RGOCY and RGOPY 1-m long can be wound on a bobbin without damage (Fig. 1b), and were embroidered into commercial textile fabric and connected with electronic components to demonstrate a gas sensor device that turns on an LED light upon exposure to a certain gas concentration (Fig. 1c,d). These sensors can selectively detect NO2 gas down to 250 parts-per-billion (ppb) at room temperature with a –6.0% response, which is a three-fold higher response compared with an RGO gas sensor prepared on a flat substrate28. Furthermore, the sensors exhibit high reliability under several washing treatments and more than 1,000 bending tests with an extreme bending radius of as low as 1.0 mm, and provide a constant response for long-term (seven days) gas monitoring.

Kết quả (Việt) 1:

Ultrasensitive và tính chọn lọc cao Graphene dựa duy nhất sợi để sử dụng trong khí mặc cảm biếnTóm tắtLinh kiện điện dựa trên sợi hoặc dệt đã được nghiên cứu do ứng dụng tiềm năng của họ trong mặc thiết bị. Hiệu suất cao trên các phản ứng để khí, khả năng drape và rửa độ bền là quan trọng đối với bộ cảm biến khí dựa trên sợi chất nền. Trong báo cáo này, chúng tôi chứng minh các bendable và chùi rửa dệt may điện tử (e-dệt) khí cảm biến bao gồm giảm graphen ôxít (RGOs) bằng cách sử dụng sợi thương mại có sẵn và phân tử keo thông qua một điện tự assembly. Bộ cảm biến khí e-dệt có độ bền hóa học với một số chất tẩy rửa cơ khí ổn định dưới 1.000 uốn thử nghiệm tại một bán kính uốn cực của 1 mm và một phản ứng cao với khí NO2 ở nhiệt độ phòng với chọn lọc để các khí khác như acetone, ethanol, etylen và CO2 và chăm sóc.Giới thiệuHình dạng sợi thành phần điện như màng mỏng bóng bán dẫn (TFTs) 1,2,3, đèn LED (đèn LED) 4, harvesters5 năng lượng, năng lượng lưu trữ devices6, 7, 8, và sensors3, 9, 10 với hiệu suất cao và linh hoạt quan tâm rất lớn do các ứng dụng tiềm năng trong thiết bị di động và thiết bị điện tử mặc. Thiết bị cảm ứng sợi dựa trên khí dự kiến sẽ có một số lượng lớn các lợi ích bao gồm cả tuyệt vời drapability, pliability, độ bền cao, trọng lượng nhẹ và thấp cost11. Hơn nữa, so với thông thường solid-state khí cảm biến hoặc thiết bị cảm ứng mới khám phá khí chuẩn bị trên phim linh hoạt hoặc giấy, sợi dựa trên khí cảm biến có thể được tích hợp vào dệt may trong forms12 khác nhau. Vậy, đến nay, một số các cảm biến quang dựa trên tiến hành các polyme và oxit kim loại đã là developed13, 14, 15. Tuy nhiên, những bộ cảm biến là không thích hợp cho khí linh hoạt và mặc cảm biến do độ bền cơ khí hóa chất nghèo và các hoạt động ở nhiệt độ cao của họ. Như là một cách tiếp cận khác, graphene và dẫn xuất của nó đã là tập trung nghiên cứu do diện tích bề mặt cực cao, tuyệt vời tính chất điện của họ, và chọn lọc tốt mà không có sự cần thiết cho một chất xúc tác hoặc modification16, 17. Ngoài ra, họ thấy sức mạnh cơ học cao với flexibility18, 19, mà làm cho họ vật liệu ứng viên lý tưởng cho hiệu năng cao linh hoạt khí sensors20, 21, 22, 23.Kết quảRecently, graphene fibers and yarns have been developed for various applications, such as fiber-based supercapacitors, dye-sensitized photovoltaic cells (DSSCs), and photo-detectors24,25,26. However, there have been no reports to date on graphene yarn-based gas sensors. We previously reported an efficient graphene oxide (GO) wrapping method using biomolecules, i.e., bovine serum albumin (BSA), as a mediator for electrostatic self-assembly between the GO and various types of yarn, including cotton, polyester, and nylon27. This method was found to be effective for the preparation of ultrasensitive gas sensors and pliable electronic wires owing to their highly flexible and conducting properties. Herein, we demonstrate the effectiveness of wearable gas sensors based on reduced graphene oxide-decorated yarn (RGOY) with ultra-sensitivity at room temperature using a robust fiber wrapping method (Fig. 1a). RGOY gas sensors including RGO-decorated cotton yarn (RGOCY) and RGO-decorated polyester yarn (RGOPY) were obtained from GO wrapping through an electrostatic self-assembly using BSA and a low-temperature reduction. RGOCY and RGOPY 1-m long can be wound on a bobbin without damage (Fig. 1b), and were embroidered into commercial textile fabric and connected with electronic components to demonstrate a gas sensor device that turns on an LED light upon exposure to a certain gas concentration (Fig. 1c,d). These sensors can selectively detect NO2 gas down to 250 parts-per-billion (ppb) at room temperature with a –6.0% response, which is a three-fold higher response compared with an RGO gas sensor prepared on a flat substrate28. Furthermore, the sensors exhibit high reliability under several washing treatments and more than 1,000 bending tests with an extreme bending radius of as low as 1.0 mm, and provide a constant response for long-term (seven days) gas monitoring.

Kết quả (Việt) 2:

Siêu nhạy và cao Selective Sợi đơn Graphene-Dựa sử dụng trong Wearable Gas Sensor

Tóm tắt
các thành phần điện dựa trên các sợi hoặc vải dệt đã được nghiên cứu do các ứng dụng tiềm năng của mình trong các thiết bị đeo trên người. Hiệu suất cao trên phản ứng với khí, treo lên, khả năng và độ bền là rửa của quan trọng cho cảm biến khí dựa trên nền chất xơ. Trong báo cáo này, chúng tôi chứng minh các cảm biến khí uốn cong và có thể giặt được dệt điện tử (e-dệt) gồm giảm oxit graphene (RGOs) sử dụng sợi thương mại sẵn có và keo phân tử thông qua một tự lắp ráp điện. Các cảm biến khí e-dệt sở hữu độ bền hóa học với một số phương pháp điều trị chất tẩy rửa và ổn định cơ dưới 1.000 cuộc kiểm tra uốn cong ở một bán kính uốn cong cực của 1 mm cũng như một phản ứng cao với khí NO2 ở nhiệt độ phòng có chọn lọc các khí khác như acetone, ethanol, ethylene, và CO2.

Giới thiệu
sợi hình thành phần điện như bóng bán dẫn màng mỏng (TFTs) 1,2,3, điốt phát sáng (LED) 4, harvesters5 năng lượng, devices6,7,8 lưu trữ năng lượng, và sensors3, 9,10 với hiệu suất cao và linh hoạt là những quan tâm do các ứng dụng tiềm năng của mình trong các thiết bị cầm tay và thiết bị điện tử đeo trên người. Cảm biến khí sợi dựa trên dự kiến sẽ có một số lượng lớn các thuận lợi bao gồm drapability tuyệt vời, tính uốn, độ bền cao, trọng lượng nhẹ, và cost11 thấp. Hơn nữa, so với cảm biến khí trạng thái rắn thông thường hoặc cảm biến khí vừa khám phá được chuẩn bị trên phim linh hoạt hoặc giấy, cảm biến khí bằng sợi quang có thể được tích hợp vào trong vải dệt forms12 khác nhau. Như vậy đến nay, một số cảm biến sợi dựa trên tiến hành polyme và oxit kim loại đã được developed13,14,15. Tuy nhiên, các cảm biến này không thích hợp cho các bộ cảm biến khí linh hoạt và có thể mặc được do nghèo cơ khí / hóa chất độ bền và hoạt động ở nhiệt độ cao. Như một cách tiếp cận khác, graphene và các dẫn xuất của nó đã là trọng tâm của nghiên cứu do khu vực của họ cực cao bề mặt, tính chất điện tuyệt vời, và chọn lọc tốt mà không cần một chất xúc tác hoặc modification16,17. Ngoài ra, họ thấy độ bền cơ học cao với flexibility18,19, mà làm cho họ các tài liệu ứng cử viên lý tưởng cho hiệu suất cao sensors20,21,22,23 khí linh hoạt.

Kết quả
Gần đây, sợi graphene và sợi đã được phát triển cho các ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như fiber- siêu tụ điện dựa, tế bào quang điện nhuộm nhạy (DSSCs), và ảnh detectors24,25,26. Tuy nhiên, chưa có báo cáo cập nhật về cảm biến khí sợi dựa trên graphene. Chúng tôi báo cáo trước đó một graphene oxide (GO) gói phương pháp hiệu quả sử dụng phân tử sinh học, tức là, albumin huyết thanh bò (BSA), như một trung gian hòa giải cho tĩnh điện tự lắp ráp giữa GO và các loại sợi, bao gồm bông, polyester, và nylon27. Phương pháp này đã được tìm thấy là có hiệu quả cho việc chuẩn bị các bộ cảm biến khí siêu nhạy và dây điện tử mềm dẻo do tính linh hoạt cao và tiến hành của họ. Ở đây, chúng tôi chứng minh tính hiệu quả của bộ cảm biến khí đeo được dựa trên sợi giảm graphene oxide-trang trí (RGOY) với siêu nhạy ở nhiệt độ phòng bằng cách sử dụng sợi gói phương pháp mạnh mẽ (Hình. 1a). Cảm biến khí RGOY kể cả sợi RGO-trang trí bông (RGOCY) và RGO-trang trí sợi polyester (RGOPY) đã thu được từ GO gói thông qua một tự lắp ráp điện sử dụng BSA và giảm nhiệt độ thấp. RGOCY và RGOPY 1-m dài có thể được quấn trên một cuộn dây không có thiệt hại (Hình. 1b), và được thêu vào vải dệt thương mại và kết nối với các thành phần điện tử để chứng minh một thiết bị cảm biến khí mà bật một đèn LED khi tiếp xúc với một số (1c Hình., d) nồng độ khí. Những cảm biến có chọn lọc có thể phát hiện khí NO2 xuống 250 phần mỗi tỷ (ppb) ở nhiệt độ phòng với một phản ứng -6,0%, đó là một phản ứng ba lần cao hơn so với một bộ cảm biến khí RGO chuẩn bị trên một substrate28 phẳng. Hơn nữa, các cảm biến hiện độ tin cậy cao theo nhiều phương pháp điều trị giặt và hơn 1.000 cuộc kiểm tra uốn với một cực đoan uốn bán kính nhỏ nhất là 1,0 mm, và cung cấp một phản ứng liên tục cho dài hạn (bảy ngày) giám sát khí.