具有高灵敏度和抗湿度干扰性能的MOX @ MOFs核鞘结构气敏传感器

从传统室内厂房气体监测到智能家居和可穿戴设备等新兴领域,气敏传感器正在扮演着越来越重要的角色。金属氧化物(MOX)作为气敏传感器领域的一个关键材料,具有价格便宜、工作寿命长、易大批量生产、环境友好和廉价等诸多优点,一直是相关工作者们的关注和研究的重点。MOX气敏传感器虽然取得一定的成果,且已有部分文献报道根据特定性质(如p-n型转换、气体极性等)能对某类气体产生一定的选择性,但是由于MOX本身的广谱响应特性,因而对单一气体的选择性检测(selectivity)却一直缺乏普适性的技术。中国科学院福建物质结构研究所徐刚研究员课题组针对这一问题,结合ZnO的高灵敏度与金属-有机框架材料(MOFs)的选择性吸附和催化能力,构筑新型ZnO@MOFs纳米复合材料。引入的催化MOF鞘层不仅起到选择性疏水的作用,还可以对材料表面的气敏反应起到催化作用。

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长久以来,选择性差作为MOX气敏传感器的瓶颈问题一直困扰着相关领域的研究人员。引入MOFs包裹在MOX材料外层,形成复合材料后,借助MOFs强大的气体选择分离能力和MOFs中具有催化能力的金属原子对MOX材料的敏化效果,有望同时提升复合材料的气敏选择性和灵敏度。论文作者在预制电极的蓝宝石基底上热解包覆一层10 nm左右的ZnO籽晶,然后水热生长ZnO纳米阵列,经过煅烧清理后,直接放入MOF的母液中进行MOF薄膜的包覆生长,通过参数控制,实现MOF壳层组分厚度的调控生长形成ZnO @ MOF核鞘结构一维纳米阵列薄膜。该MOF鞘层不仅起到选择性疏水的作用,还可以对材料表面的气敏反应起到催化作用,极大地提升了其综合气敏性能。气敏测试结果表明:ZnO @ MOF核鞘结构(1)具备了较好的抗湿度干扰的能力,变异系数仅为7.4%,优于10%;(2)对丙酮的检测限和响应值(10 ppm)可达0.002 ppm和27,比纯ZnO阵列分别提升了2个数量级和约20倍;(3)最佳响应温度比纯ZnO降低了125℃左右;(4)响应速度提高了48%,恢复速度提高了470%。

该工作中构筑的MOX @ MOFs核鞘结构一维纳米阵列薄膜,不但可以作为一种的普适方法,在改善薄膜电学器件性能方面得到广泛的研究和应用,而且有望促进具有优异选择性和灵敏度的气敏传感器的发展,并应用于智能家居/载具、快速医学检测和可穿戴设备中。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201506457)上。