《Sensors and Actuators A: Physical》：Origami-Inspired Carbon Paper (OriCP) Platform for Ultra-Sensitive and Selective NO
2 Monitoring at Room Temperature
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折纸式碳基纸传感器通过rGO/MWCNT复合材料与滤纸复合实现高灵敏度NO?检测（LOD 4.58 ppb），具备可折叠性、机械稳定性和环境适应性，适用于空间受限的实时监测。
金泰珠（Taeju Kim）| 金元雄（Woong Kim）| 李元硕（Wonseok Lee）
韩国交通大学电气工程系，忠州 27469，韩国
摘要
本文介绍了一种受折纸启发的可折叠纸质二氧化氮（NO2）传感器平台，该平台通过将还原氧化石墨烯（rGO）和多壁碳纳米管（MWCNT）的复合材料浸涂在滤纸上制成。该传感器可在室温下工作，检测限达到4.58 ppb，即使在低浓度条件下也能表现出良好的响应性。由于采用了折纸结构，该设备可以在保持较大有效表面积的同时进行紧凑折叠，从而适用于空间有限的场合。这种基于纸张的、可折叠的二氧化氮传感器在反复折叠和清洗等机械变形条件下仍表现出高稳定性。此外，它在不同的温度和湿度环境下都能保持稳定的性能，并且即使在混合气体环境中（例如汽车尾气中）也能实现选择性检测。凭借其低成本制造工艺、结构适应性和可靠的传感性能，该传感器成为下一代环境二氧化氮监测系统的理想候选者。
引言
近几十年来，由于城市化进程加快、工业活动和交通流量增加，大气中的二氧化氮（NO2）浓度显著上升[1]、[2]、[3]。二氧化氮主要来源于车辆燃烧、工业过程和香烟烟雾[4]。尤其是在交通拥堵的城市地区，二氧化氮浓度更高，这引发了对其健康和环境影响的日益关注。二氧化氮不仅是一种用于生产硝酸、炸药和火箭推进剂的化学氧化剂，还是一种有害的空气污染物，与呼吸系统疾病、心血管问题以及肺部和呼吸道炎症有关。长期暴露于二氧化氮可能导致哮喘、慢性阻塞性肺病（COPD）和高血压等慢性疾病[5]、[6]。特别值得关注的是，二氧化氮暴露与婴儿和老年人等脆弱人群的致命后果有关。多项研究将二氧化氮吸入与婴儿猝死综合症（SIDS）和长期暴露下的肺癌联系起来[7]、[8]。因此，开发能够在环境条件下可靠运行的高灵敏度、实时二氧化氮传感器至关重要。
为了满足这一需求，已经广泛研究了多种类型的二氧化氮传感器。其中，电化学传感器、光学传感器、比色传感器、声学传感器和气相色谱传感器应用最为广泛[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。然而，这些技术各自存在成本、操作复杂性、尺寸和灵敏度方面的局限性。作为一种替代方案，化学电阻传感器因其低功耗和可扩展性而受到关注。然而，化学电阻传感器依赖于包括金属氧化物半导体在内的传感材料，这些材料需要较高的工作温度（超过200°C）[14]、[17]、[18]、[19]。为了克服这些限制，人们广泛使用了各种类型的纳米复合材料和结构[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。特别是基于碳的纳米材料（包括还原氧化石墨烯（rGO）和多壁碳纳米管（MWCNT）已成为有前景的传感材料。这些碳基纳米材料可以在室温下工作，并已被广泛研究用于室温传感器应用[28]、[29]、[30]、[31]。特别是rGO和MWCNT的复合结构形成了导电网络，提高了电荷迁移率并提升了传感器的整体灵敏度。rGO/MWCNT复合材料通过π–π相互作用和在结构缺陷处的吸附作用，增强了与二氧化氮等吸电子气体的相互作用[32]。此外，通过调节碳层堆叠数量可以调节气体扩散和活性表面积，从而影响整体传感性能。rGO上的含氧官能团有助于电子的提取和与二氧化氮的氢键结合，进一步促进吸附和信号生成。
与此同时，由于纸质气体传感器具有低成本、机械柔韧性和生物降解性以及易于制造的特点，近年来受到了关注。与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰亚胺（PI）等柔性基底相比，商用滤纸具有高度多孔的结构和表面，无需额外微图案化即可实现优异的气体渗透性。因此，已经报道了多种类型的纸质传感器[33]、[34]、[35]、[36]。然而，传统的纸质传感器在机械耐用性和结构适应性方面存在不足。为了解决这些问题，引入了受折纸启发的设计[37]、[38]、[39]、[40]。折纸技术使纸质设备能够实现紧凑性、可扩展性，并在狭小空间中实现多功能应用。这一概念已应用于航空航天领域，例如可折叠卫星结构和太阳能电池板，其中在最小化体积的同时最大化表面积至关重要[41]、[42]。将这一原理应用于气体传感器为设计适应性强、空间效率高和多功能性的传感平台提供了新的机会。
本文提出了一种基于折纸结构的碳纸二氧化氮传感器（OriCP），通过将传统滤纸浸入rGO/MWCNT纳米复合材料中制成。MWCNT的线状结构在多孔纸基底上形成了相互连接的坚固结构，即使在严重的机械变形下也能增强耐用性和均匀的导电性。此外，rGO上的含氧官能团促进了与二氧化氮的强相互作用，并在各种环境条件下实现了可逆的信号恢复。该传感器在室温下对二氧化氮具有超灵敏的检测能力，检测限（LOD）为4.58 ppb。由于其可折叠设计，OriCP可以在空间有限的环境中部署而不会影响性能。它在反复折叠、清洗和撕裂过程中表现出高机械稳定性，并且在不同的温度和湿度条件下也能保持稳定的响应。此外，该传感器在暴露于汽车尾气时仍能保持可靠的性能，表明其在实际环境应用中的潜力。这项工作展示了一种开发灵活、低成本、可扩展的气体传感器的简便方法，适用于下一代便携式和可穿戴有毒气体监测系统。
材料与试剂
氧化石墨烯（GO）和预分散的多壁碳纳米管水溶液（MWCNT，浓度3 wt%，分散在水中，粘度< 2000 cPs）分别从Graphenea（西班牙）和Nano Solution（韩国）购买。MWCNT溶液未经进一步处理直接使用。为了还原GO，从Milipore Sigma-Aldrich（美国）购买了L-抗坏血酸。作为基底基底，使用了ADVANTEC（台湾）生产的滤纸（孔径：7 μm）。
OriCP传感器的制备
为了制备rGO/MWCNT纳米复合材料，使用了800 mg的rGO和MWCNT。
OriCP传感器的设计和工作原理
这种受折纸启发的碳纸（OriCP）传感器基于涂覆在多孔滤纸上的还原氧化石墨烯（rGO）和多壁碳纳米管（MWCNT）纳米复合材料。该传感器具有灵活性、大表面积和高电导率等优点，能够实现灵活且高灵敏度的二氧化氮检测。rGO作为主要传感材料，而圆柱形的MWCNT则将rGO片层连接在一起，形成了连续的导电网络。
结论
总之，我们通过简单的浸涂和绿色还原工艺，将还原氧化石墨烯（rGO）和多壁碳纳米管（MWCNT）集成到多孔滤纸基底上，开发出了一种受折纸启发的纸质气体传感器。优化的rGO@MWCNT纳米复合材料在室温下实现了10 ppb至900 ppb范围内的线性二氧化氮检测，检测限为4.58 ppb。这种高灵敏度归因于rGO中丰富的含氧官能团。
作者贡献声明
金泰珠（Taeju Kim）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、软件开发、项目管理、方法论研究、数据分析、概念化设计。
金元雄（Woong Kim）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、数据分析。
李元硕（Wonseok Lee）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督工作、软件开发、资源协调、项目管理、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）基础科学研究计划的支持，该计划由教育部资助（项目编号：RS-2025-25400034）。
金泰珠（Taeju Kim）是韩国交通大学电气工程系的硕士研究生，研究方向包括气体传感器、电化学传感器和生物传感器。
