基于三维有序WO3/Au纳米复合材料的高灵敏度和选择性丙酮传感器

文献题目

Highly sensitive and selective acetone sensor based on three-dimensional ordered WO3/Au nanocomposite with enhanced performance

文献信息

期刊：Sensors and Actuators B: Chemical

影响因子：IF  9.221

发表日期：2020-06-04

DOI：10.1016/j.snb.2020.128405

单位：State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics, College of Electronic Science and Engineering, Jilin University

文献内容

Three-dimensional ordered WO3/Au nanocomposite was employed as an acetone gas sensor via PMMA template removal method and heat treating process.

The macroporous structure of WO3/Au provided a large specific surface area and channels for rapid gas diffusion to enhance the sensing properties.

The Au nanoparticles modified WO3/Au can not only act as a catalyst, but also provide spill-over effect to enhance the sensing performance.

Gas sensors based on 3DIO WO3/Au showed very good sensing performance in acetone detection, even for diabetes.

结果与讨论

3DIO膜显示出有序的多孔结构。随着3DIO WO3膜上负载的Au的量增加，Au纳米颗粒的数量和尺寸从图b增加到图d，从图b和c中，Au纳米颗粒的数量显著增加，从图c和d中可以看出，较小的Au纳米颗粒的聚集导致尺寸增加。图j中的TEM图像显示了清晰的大孔框架，其周期性地建立直径约为500nm的六边形连接。这种多孔结构可以避免孔隙和孔隙的塌陷，在气体的快速扩散中发挥重要作用。此外，在HRTEM图像中可以观察到均匀的晶格条纹（图k），纳米结构由纳米颗粒组成。图i中相应的选择性区域电子衍射（SAED）图案进一步证明了3DIO WO3/Au纳米结构的多晶性质。

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原始的WO3和Au掺杂WO3传感器的响应随着工作温度的升高而有规律地波动。如图所示，基于3DIO WO3/Au的S2传感器对丙酮的响应最高，其最佳工作温度为410°C。Au的添加显著提高了与纯WO3气体传感器的响应，在最佳工作温度下，基于3DIO WO3/Au的S2传感器具有最佳的传感性能。与纯3DIO WO3的响应时间10 s和恢复时间13 s相比，随着Au含量的增加，响应和恢复时间均降低。其中，以基于3DIO WO3/Au的S3传感器的工作速度更快，其响应和恢复时间分别为7s和8s。3DIO WO3/Au气体传感器对丙酮表现出良好的选择性，并在100ppb至100ppm范围内表现出优异的测试性能，且丙酮的最小检测值为100ppb。与纯WO3传感器相比，它还显示出良好的重复性和长期稳定性。

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3DIO WO3/Au结构和气敏响应示意图如图所示。当WO3/Au传感器暴露在空气中时，随着工作温度的升高，氧分子被化学吸附在WO3/Au的表面上，导致表面上的电子被带走，因此活性氧物种（O2−、O−和O2−）出现在传感器表面，形成电子耗尽层，导致电阻增加。当WO3/Au的表面与还原丙酮气体接触时，其表面上的活性氧物种与丙酮气体反应，然后电子从活性氧返回到WO3半导体，从而电子耗尽层变薄，材料的电阻降低。WO3和Au的能带结构示意图显示WO3和Au的功函数分别为4.29eV和5.1eV，WO3的带隙为2.86eV。能带弯曲导致电子从WO3表面迁移到Au，直到这两种材料之间的费米能级相等，这可以扩展WO3表面上的电子耗尽区，并在Au NP中积累更多电子。最后，在界面中形成肖特基势垒。因此，不同的功函数驱动了界面中的电子传递。

转自：“科研一席话”微信公众号

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