Small Structures:  敏感材料表面氧缺陷可控构筑策略实现精准获取区域湿度分布信息

1. 研究背景

有效提高湿度敏感材料的性能对湿度传感器在人机交互界面、智能假肢以及无触摸屏幕等领域的应用至关重要。不同于传统的应用,这些领域的应用要求湿度传感器可以像人一样在一个开放的环境中,动态经过一些较为湿润的区域时能够迅速感知细微的湿度变化。为了顺应这些应用的要求,科研人员开发了各种方法用以提高材料对湿度的敏感性能,其中,在材料表面构筑氧缺陷策略效果尤为显著。然而,目前常用的构筑氧缺陷的方法,通常缺乏足够的可控性,常常导致材料表面的过度还原甚至材料骨架坍塌,从而严重影响材料性能的循环稳定性。

2. 文章内容

针对上述问题,黑龙江大学霍丽华和徐英明课题组以K3[Co(CN)6]为单一钴源合成了Co3[Co(CN)6]2微立方模板材料。通过辅助配位剂柠檬酸的加入有效控制了产物的成核速度,从而增强了该模板材料在热处理过程中的结构稳定性,解决了MOFs模板材料普遍存在的热处理过程中结构易塌陷问题(图1)。通过在380 ℃~880 ℃的温程范围内对模板进行热处理,获得了具有不同氧缺陷含量的Co3O4产物,实现了材料表面氧缺陷的可控构筑(图2)。

图1 Co3[Co(CN)6]2前驱体和Co3O4 产物形貌表征

图2 在380 oC ~ 580 oC下对Co3[Co(CN)6]2前驱体进行热处理获得的Co3O4 产物的EPR光谱图以及XPS 光谱图

材料表面丰富的氧缺陷位极大改善了该材料湿度敏感性能。文章中选取了深度皆为1.8 cm, 而长和宽分别为6.0 cm ´ 2.0 cm, 6.0 cm ´ 1.5 cm and 6.0 cm ´ 1.0 cm 的三个水槽为测试区域,将传感器置于可滑动的轨道上以每秒1 mm的速度通过水槽上方(图3)。以宽度为2 cm的水槽测试结果为例(图4),当传感器进入水槽所在区域(x =5 cm)时阻抗值开始下降,传感器离开水槽所在区域(x = 25 cm)时阻抗值开始升高(图4 b)。同时,阻抗值下降速度与湿度变化呈现了明显的正相关性,即在湿度最高处(水槽中心)下降速率最快,而在湿度最低处(水槽边界)下降速度最慢(图4e)。通过不断改变传感器和水槽的相对位置,即可将整个水槽囊括在扫描范围(全扫描),在对一次全扫描数据进行三阶差值处理后,可获得被扫描水槽上方湿度分布的三维表面热度图(图4c , 4f)。从图中可以清晰看出水槽的边界、中心以及湿度高低的分布情况。

图3 动态扫描测试装置照片

图4 水槽的三维(a)和平面(d)示意图;单次扫描阻抗变化曲线(b)和阻抗下降速度变化曲线(e);三阶差值处理所得全扫描阻抗三维表面热度图(c);三阶差值处理所得全扫描阻抗下降速度三维表面热度图(f)

3. 结论

该项研究工作通过在金属氧化物表面可控构筑氧缺陷位极大提高了材料的表面活性。同时,打破湿度传感器静态测试的传统,通过动态扫描方式获取区域湿度分布信息,为湿度传感器在智能感知等诸多新兴领域的应用提供了新思路。

该文的第一作者是博士研究生于海霞,通讯作者是霍丽华教授和徐英明教授。

Tailoring oxygen vacancy of Co3O4 microcubes by annealing Co3[Co(CN)6]2 template in air for ultrasensitive humidity mapping

Haixia Yu, Chuanyu Guo, Xianfa Zhang, Xiaoli Cheng, Yingming Xu*, Shan Gao, Lihua Huo*

Small Structures

DOI : 10.1002/sstr.202100166

原文链接https://doi.org/10.1002/sstr.202100166