金属有机骨架衍生的In2O3/ZnO多孔空心纳米笼高灵敏度 H2S 气体传感器

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文献标题

Metal-organic frameworks-derived In2O3/ZnO porous hollow nanocages for highly sensitive H2S gas sensor

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文献信息

期刊：Chemosphere

影响因子：IF 8.943

发表日期：2022-12-27

DOI：10.1016/j.chemosphere.2022.137670

单位：School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, 212013, China

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文献内容

One-step self-sacrificing template synthesis of In2O3/ZnO nanocages with high stability for effective detection of H2S gas.

The porous hollow nanostructures provide high specific surface area, porosity, and abundant active sites.

For H2S gas at lower ppm, the sensor demonstrated higher responsiveness, selectivity, and stability.

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结果与讨论

采用简单的一步共沉淀法，以及后续在空气中进行热退火处理，合成了具有混合异质结构的In2O3/ZnO纳米结构。他们使用这种基本的一步自我牺牲模板策略创建了不同比例的混合体。ZIF-8粉末在空气中高温热解产生ZIF-8衍生的ZnO。该过程通过去除有机连接体而导致介孔结构的形成。在热处理之后，获得的金属氧化物保留了MOF材料的结构，具有更多的用于吸附的活性位点，从而大大增强了In2O3/ZnO对H2S气体的气敏财产。该In2O3/ZnO混合异质结构的详细合成过程如图所示。

ZIF-8、ZnO和ZIO 7.5mol%异质结构的形态和结构如图所示：ZIF-8多面体的尺寸在250-300nm之间。与ZIF-8前体相比，其衍生物ZnO仍然保留着十二面体的形状，但其表面非常粗糙，可以观察到表面塌陷成纳米笼状结构。在7.5mol%In2O3/ZnO放大图中可以观察到纳米笼的粗糙表面由多个平均尺寸约为200nm的纳米颗粒形成。Zn、O和In元素均匀地分散在整个纳米笼结构中。

传感特性：纯ZnO和ZIO中空纳米笼的响应值随着温度的升高而升高，并且它们都在200℃时表现出最佳响应。其中，基于ZIO 7.5 mol%中空纳米笼异质结传感器在200℃能够对50ppm的H2S气体显示出67.5的最高响应值，是原始ZnO的大约11倍。该ZIO 7.5mol%中空纳米笼子比纯ZnO基气体传感器更稳定，在不同浓度下对H2S气体具有更高的响应值，其响应值随着H2S气体浓度的增加而增加，其响应时间为52 s，恢复时间为198 s。在2–50 ppm的H2S气体浓度范围内，传感器响应值和气体浓度之间存在很强的线性相关性，最低检测限为600ppb。

ZIO中空纳米笼的传感机制如图所示：当ZIO中空纳米笼暴露在空气中时，吸附过程发生在样品表面，氧分子捕获Zn–O和In–O导带中存在的大量自由电子，产生氧离子物种（如O2−和O−），纳米笼表面的电子总量减少， ZIO的电阻激增。当ZIO空心纳米笼的气体传感器受到H2S的作用时，其分子被吸附到纳米笼结构的表面上，并与氧离子物质反应，将捕获的电子释放到导体上，耗尽层的宽度减小，材料的电阻降低。孔中空结构、高比表面积和材料中n-n异质结的产生都有助于ZIO中空纳米笼卓越的H2S气体传感能力。n-n异质结在修饰电子结构和提供大量反应性势垒辅助方面发挥着至关重要的作用。

转自：“科研一席话”微信公众号

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