用于三乙胺检测的具有加速多向电子传输机制的花状In2O3/ZnO异质结构

文献标题

Flower-like In2O3/ZnO heterostructure with accelerated multi-orientation electron transport mechanism for superior triethylamine detection

文献信息

期刊：Applied Surface Science

影响因子：IF 7.392

发表日期：2021-08-25

DOI：10.1016/j.apsusc.2021.151074

单位：School of Material Science and Engineering, University of Jinan, Jinan 250022, PR China

文献内容

2D flower-like In2O3/ZnO composite derived from In2O3 precursor/ZIF-8 is gained

Composite has flower-like In2O3/ZnO structure composed of needle-like nanorods.

Sensors show an excellent gas-sensing response of 188.01 to 100 ppm TEA at 120 °C.

Mechanism is mainly due to the accelerated multi-orientation electron transport.

In2O3-based sensors can be used for actual detecting area of seafood storage.

结果与讨论

通过两步法制备了由源自In2O3前体/ZIF-8组装针状纳米棒组成的花状In2O3/ZnO异质结构，具体的合成路线如图所示。ZIF-8在In2O3前体表面的引入对In2O3基复合材料的形貌和相组成的变化起着重要作用，通过调节In2O3和ZnO的成核竞争和晶面匹配，可以实现花状In2O3/ZnO结构，从而增强气体在表面的吸附、化学反应动力学和电子传输效率。

In2O3与In2O3/ZnO复合材料均呈现出由组装的针状纳米棒组成的花状结构。如图所示，In2O3和In/Zn-2前体均由花状结构组成，大小均匀，在0.3–0.4μm范围内。经热处理后的In2O3仍保留花状结构，平均直径变为为530–580 nm。In2O3/ZnO复合材料的晶体生长习惯与纯In2O3相似，只是表面结构变得粗糙，针状纳米棒的尺寸增加。针状纳米棒由沿一维方向排列的具有大量孔结构的小杆状颗粒组成，能够极大地促进目标气体的吸附、扩散和解吸。

气敏特性：In2O3/ZnO复合材料传感器的最佳工作温度为120℃，相较于原始In2O3传感器160℃的最佳工作温度有了大幅降低。所制备的In2O3基样品对三乙胺气体具有优异的气体选择性。其中，In/Zn-2传感器在120℃对100ppm的三乙胺表现出188.01的最大气敏响应。花状In2O3/ZnO异质结构可以有效地促进气体分子的吸收、扩散、解吸和反应。In/Zn-2传感器的响应和恢复时间分别为58s和215s，最低检测限为0.32ppm。

In2O3基传感器的气敏行为可能与气体吸附/解吸、材料表面的化学和物理反应以及表面/界面上的电子传输有关。如图所示，花状结构可以吸收氧气和TEA分子。当In2O3传感器暴露在空气中时，氧分子会从材料的导带捕获电子，形成氧物种（Oσ-），导致厚的电子耗尽层和电阻增加。此外，导带边界附近会向上弯曲，限制电子的流动。当传感器暴露于TEA时，TEA分子与Oσ-相互作用释放电子并产生NO2、CO2和H2O，从而形成薄的电子耗尽层和降低的电阻。同时，异质结构的构建可以优化材料的表面/界面状态，并具有较好的孔隙率，大量ZnO和In2O3纳米颗粒积聚，形成疏松多孔的异质结构。In/Zn-2复合材料的比表面积为257.5m2/g，高于In2O3材料（188.9m2/g）。花状In2O3/ZnO异质结构的出现有助于比表面积的增加和更多活性位点的暴露。In/Zn-2传感器可以提供更厚的电子耗尽层和更多的电子参与传输过程。当In2O3/ZnO复合材料暴露在TEA中时，更多的电子返回到材料中，使电子耗尽层更薄。由于In2O3/ZnO复合材料具有针状纳米棒组成的花朵状微观结构和多向电子传输机制的特点，可以明显加速电子传输过程。电子可以沿着多个传输路径从纳米棒的中心向末端加速，表现出优异的气体传感灵敏度。

转自：“科研一席话”微信公众号

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