基于MOF衍生多孔ZnO纳米颗粒的NO2气体电导传感器

Conductometric NO2 gas sensors based on MOF-derived porous ZnO nanoparticles

基于MOF衍生多孔ZnO纳米颗粒的NO2气体电导传感器

文献来源:期刊：Sensors and Actuators: B. Chemical

作者：Xiaowei Ren等

通讯作者：Zilong Tang

机构：清华大学材料科学与工程学院新型陶瓷与精细加工国家重点实验室

简介

ZnO作为一种典型的金属氧化物半导体，在气敏材料中的应用得到了广泛的研究。本文报道了一种基于金属有机框架(MOFs)的多孔ZnO纳米立方的超高灵敏度和选择性NO2气体传感器。通过对后续热解过程的精确控制，得到了MOF衍生物。在500℃热解处理条件下，MOF衍生物在200℃对1ppm NO2的敏感性为51.41。与同类工作相比，灵敏度有很大提高。

此外，所述气体传感器对NO2的选择性优于其他气体(CO, C2H5OH, H2, H2S, NO, NH3)。其超高的灵敏度和选择性归因于热解后独特的结构，提供了更多暴露的活性位点和连通的孔隙通道。

制备方法

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将 Zn(NO3)2▪6H2O和2-甲基咪唑分别溶于180 ml无水乙醇中，磁搅拌20 min，待溶质完全溶解后再混合。混合溶液在室温下静置12小时。得到白色沉淀物，用水和乙醇洗涤3次，在真空烘箱中60℃干燥12 h。将前驱体在不同温度条件下(300-600℃)在空气中热解得到最终产物。ZIF-8衍生物在不同温度下的热解被命名为ZIF-8-温值。

结果与讨论

在50ºC到800ºC的空气中进行热重(TG)和差热分析(DTA)分析，以确定ZIF-8的分解温度、失重和可能的相变。当温度升高到350℃时，可以观察到重量的下降。在450℃左右出现了一个高放热峰，质量损失为45 wt.%，这与ZIF-8中有机配体的热解相对应。从500ºC到600ºC，重量损失16 wt.%的第二个范围与ZIF-8结构的进一步分解有关。质量损失与DTA曲线吻合良好，出现了两个放热峰。当温度高于600℃时，无明显的质量损失。

合成的ZIF-8的XRD图谱显示在350ºC以下，相保持不变。当温度升高到400℃时，出现多孔ZnO，可指示为六方相，证实了有机配体的热解和锌离子的氧化。

传感器的最佳工作温度选定为200℃。在低浓度范围内，随着NO2浓度的增加，响应值呈线性增长。随着NO2浓度的不断升高，基于ZIF- 8-500的气体传感器对NO2的吸附逐渐饱和，大部分吸附位点被占用。通过扩展拟合曲线，可以估计出传感器的检测限为几十ppb级。

在逐渐氧化的过程中，会形成具有各种暴露面的六边形结构的纳米ZnO结构。此外，内部的锌离子相对于环境中的氧具有更快的扩散速率，并倾向于形成中空结构，这被称为基尔肯德尔效应。

传感材料对NO2有着优异的选择性。

优异的气敏性可归因于相当高的比表面积和介孔结构的协同作用。传感机理可以用图中的示意图来说明。具有多个暴露面的热解ZnO纳米结构具有敏感的损耗区变化和丰富的活性位点。当传感材料暴露在空气中时，吸附的氧气会从材料的传导带中抢夺电子，导致电阻增加，产生电子损耗层。对于金属氧化物半导体型气体传感器，传感机理基于气体传感器与被吸收目标气体之间的电荷转移。

结论

ZIF-8衍生的多孔ZnO是通过搅拌沉淀法和热解处理制备的。研究了ZIF衍生物在不同热解温度下的形貌和相结构变化及其相应的气敏性质。其中，ZIF-8-500在200℃时对1ppm NO2反应最佳，达到51.41。ZIF-8模板化的n型纳米结构对NO2具有良好的灵敏度和选择性，并具有良好的重复性。ZIF-8 - 500具有高气体可达通道、高比表面积的介孔结构，且氧空位有利于ZIF分解过程中产生的NO2分子，从而使ZIF-8 - 500具有优异的NO2传感性能。

转自：“科研一席话”微信公众号

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