基于高活性表面Co/Fe复合纳米纤维的室温高选择性能的柔性气体传感器

气体传感器广泛应用于工业、生活的各个领域,如石油、化工、钢铁、冶金、矿山、环保、市政、医疗、食品等诸多领域。近年来,随着互联网与物联网的高速发展,气体传感器在新兴的智能家居、可穿戴设备、智能移动终端等领域的应用突飞猛进,大幅扩展了应用空间,需求量也发生数量级的改变。可穿戴和柔性气体传感器由于其良好的操作安全性、高灵活性和实时检测能力,正受到医疗和环境应用领域的广泛关注。敏感材料是柔性气体传感器的重要构成部分之一,对气体传感器的柔性,气敏响应性能和机械稳定性都有重要的作用。目前,柔性气体传感器已经获得了很好的实时检测能力,但是,由于很难控制气体分子在传感层上的吸附和反应,使得敏感材料仍然存在着活性和选择性不足等问题。因此结合静电纺丝技术制备出一维复合纳米纤维材料,研究室温下具有高选择敏感性的柔性气体传感器具有较大的研究意义和应用前景。

近日,吉林大学王丽丽副教授课题组利用静电纺丝技术合成出新型高活性Co3O4/α-Fe2O3复合纳米纤维,以复合纳米纤维薄膜为基础,制备出室温下对按其气体具有高选择敏感特性的柔性气体传感器。具有高活性表面的过渡金属氧化物由于具有高选择性、活性、环保性和低成本等优点而成为催化添加剂研究的热点。结果表明,在纳米纤维基体中加入高活性的Co3O4纳米粒子,对提高纳米纤维的电子和催化性能具有重要意义。复合材料的异质界面和晶界使得电子可以快速的传输有利于气体敏感反应。(112)晶面的Co3O4纳米颗粒产生大量的高活性位点,有助于氨气分子的选择性吸附,从而提高了灵敏度,在室温下比基于纯的α-Fe2O3纳米纤维柔性器件的灵敏度高出约3.1倍。此外,基于异质结构纳米纤维的柔性器件在室温120°弯曲角下依然表现出良好的力学性能和稳定在213%的灵敏度。进一步地,作者也通过密度泛函理论(DFT)计算,在原理上证明了采用高活性晶面纳米颗粒可以获得高灵敏度、优异的电荷转移和良好的机械稳定性的柔性气体传感器。这一研究通过理论与实验的相互验证对研制高性能室温气体传感器提供了一种新思路。该工作发表在Advanced Materials Technologies(DOI: 10.1002/admt.201800521)上。