多壳层氧化钇空心球及具有高选择性超灵敏度的甲醇传感器的构筑

能源危机已经成为当今世界面临最重要的问题之一,为了满足日益增长的能源和环境需求,甲醇燃料电池一直被认为是清洁和高效发电的最佳选择之一。而甲醇因其廉价且易处理、运输和储存,作为内燃机燃料添加剂最具前景的候选材料被大量的生产和使用。因此,甲醇不仅存在于大气环境和深层地下环境,甚至还存在于星际空间。然而,通过实验来检测原星体周围的痕量甲醇难度极大。甲醇可以麻痹中枢神经系统、损害视神经和视网膜,导致失明甚至死亡。更糟糕的是,甲醇与其他醇类不同,因其氧化速度很慢而无法代谢,会在人体内累积且缓慢氧化成甲醛、甲酸等有害物质,对人体危害极大。此外,其他的工业生产、建筑内的装饰材料、家具等产生的甲醇和假酒中的甲醇对环境和人体健康也极为不利。因此,从环境监测和医疗保健角度出发,设计和发展高选择性和高灵敏度的甲醇传感器仍然面临挑战。

近日,苏州大学江林课题组发展了一种基于多壳层氧化钇(Y2O3)空心球的高选择性超灵敏度(71 ppb)的甲醇气体传感器。他们设计无模板法可控的合成了多壳层空心结构氧化钇,其多壳层空心结构和内部空隙空间提供了较普通实心结构更高的比表面积和活性位点,对甲醇的超敏性检测有着重要的贡献。并通过了实验和理论计算表明了多壳层的氧化钇由于表面富含的{222}晶面为在甲醇的高选择性检测中起着关键作用。通过原位傅里叶红外光谱仪监测甲醇气体在多壳层氧化钇空心球表面催化反应后的最终产物是二氧化碳,揭示了甲醇在多壳层氧化钇空心球表面上发生的催化机理,进一步证明了多壳层氧化钇空心球对甲醇氧化具有高催化活性。更有意义的是,该传感器还可以被用来检测模拟配制的白酒(乙醇、甲醇和水的混合物)中微量甲醇的含量,其检测值(18 ppm)远远低于高度酒100 ppm的健康风险阈值。多壳层氧化钇空心球传感器对甲醇表现出了高的选择性和高灵敏度,使其在环境监测和食品安全检测中具有广阔的应用前景。

该工作“Multi-Shelled Hollow Structure of Yttrium Oxide for Highly Selective and Ultrasensitive Detection of Methanol”以内封面的形式在Small(DOI: 10.1002/smll.201804688)上发表。