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      p型氧化物VOCs传感器的缺陷调控增敏研究取得系列进展

      发布时间:2020-9-24     来源:中国科学院合肥物质科学研究所

      环境中痕量挥发性有机化合物(VOCs)携带了环境与健康相关的重要讯息英亚体育APP-英亚体育登陆,VOCs的识别检测备受关注。尽管p型金属氧化物半导体具有独特的VOCs催化氧化活性,有望克服现有n型氧化物VOCs传感器在识别特性方面的不足,推进VOCs传感芯片的开发,然而,p型氧化物在空气氛围下固有的“空穴累积层”构型导致其本征灵敏度较低,限制了其应用。

      缺陷调控是近年来传感、催化领域常用的一种调控材料表面电子结构和催化活性的策略,然而,材料表面缺陷种类众多,究竟哪种类型的缺陷决定p型氧化物传感器对VOCs的电学响应尚无明确的答案。中科院合肥研究院安光所方晓东、孟钢研究员团队以p型CuCrO2为研究对象,揭示了表面不饱和氧空位缺陷为气敏活性位点,通过合成过程或者后退火引入更多的氧空位缺陷,均可提升传感器对VOCs的灵敏度,相关成果以《氧空位缺陷显著增强p型铜铁矿CuCrO2的气敏特性》为题,发表于ACS Applied Materials & Interfaces杂志上英亚体育APP-英亚体育登陆。随后,该团队又提出采用Ar&H2等离子体处理技术,诱导p型氧化物表层形成富含氧空位的缺陷层英亚体育APP-英亚体育登陆,增强传感器对VOCs的电学响应,相关成果以《p- CuAlO2表层氧空位缺陷的Ar&H2等离子体处理调控及VOCs敏感性能提升》为题,发表在Chemical Communications期刊上。

      活性位点的稳定性是传感器实际应用的一个重要指标。尽管通过真空退火或等离子体处理可诱导产生体/表面氧空位缺陷,然而英亚体育APP-英亚体育登陆,这些氧空位在高温工作条件下很容易与环境中的氧复合而失去活性英亚体育APP-英亚体育登陆。为了稳定p型氧化物的氧空位活性位点,该团队以常用的p型NiO为研究对象,尝试了多种元素掺杂英亚体育APP-英亚体育登陆,筛选出Sc为一种新型高效的NiO增敏掺杂剂。在此基础上,进一步探究了共掺缺陷调控,发现Sc-Li共掺可进一步诱导NiO晶格畸变,产生高浓度的氧空位缺陷英亚体育APP-英亚体育登陆,将NiO传感器对100ppm丙酮的灵敏度提升2个数量级,检测限低至10ppb。而且,Sc-Li共掺引入的氧空位缺陷具有更好的稳定性,传感器在7个月后灵敏度仅衰减30%,初步满足了实际应用对传感器长期稳定性的要求。相关成果以《Sc掺杂NiO纳米花传感器的VOCs传感特性》和《异价Sc3+、Li+共掺杂大幅提升p型NiO传感器的性能》为题英亚体育APP-英亚体育登陆,分别发表在Journal of Alloys and Compounds和Sensors and Actuators B: Chemical上英亚体育APP-英亚体育登陆。

      以上研究工作由国家自然科学基金和中科院国际合作等项目资助。

      文章链接:https://doi.org/10.1021/acsami.8b10485

      https://doi.org/ 10.1039/c9cc05881h

      https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155760

      https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128834

      p型Sc-Li共掺NiO传感器对100ppm乙醇的气敏响应特性:(a)灵敏度与重复性英亚体育APP-英亚体育登陆;(b)灵敏度同文献结果对比;(c)长期稳定性。


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