分层的In2O3@SnO2核壳纳米纤维用于高效甲醛检测气体传感器

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文献标题

Hierarchical In2O3@SnO2 Core-shell Nanofiber for High Efficiency Formaldehyde Detection

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文献信息

期刊：ACS Applied Materials & Interfaces

影响因子：IF 10.383

发表日期：2019-11-19

DOI：10.1021/acsami.9b16599

单位：School of Material Science & Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China

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文献内容

通过静电纺丝和进一步的水热方法设计并成功制备三维（3D）层次In2O3@SnO2核壳纳米纤维(In2O3@SnO2)

比较了纯In2O3纳米纤维、SnO2纳米片和In2O3@SnO2核壳纳米复合材料，得出In2O3@SnO2纳米复合材料具有最高的响应值、快速的响应/回收速度、最佳的选择性和最低的甲醛检测限

In2O3@SnO2核壳纳米复合材料卓越的传感特性归因于SnO2纳米片阵列的大比表面积、表面丰富的吸附氧物种、核壳异质材料之间独特的电子转化和SnO2过渡层的长电子传输通道的协同效应

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结果与讨论

通过简单的静电纺丝和进一步的水热方法设计并成功制备了三维（3D）In2O3@SnO2核壳纳米纤维。如图所示，3D层次结构的构建In2O3@SnO2核壳纳米纤维可分为四个步骤：(ⅰ)通过静电纺丝方法合成了In2O3纳米颗粒。(ⅱ) In2O3纳米材料可以作为SnO2纳米片生长的骨架，SnO2种子涂覆在In2O3纳米颗粒上。(ⅲ) SnO2纳米片阵列通过水热法在纳米颗粒表面生长。(ⅳ) 3D 层次结构In2O3@SnO2通过进一步的加热处理获得了核壳纳米纤维。

In2O3@SnO2纳米复合材料的形貌如图所示，垂直排列的SnO2纳米片均匀生长在In2O3纳米纤维外表面上。其中，In2O3纳米纤维的直径约为150nm，SnO2的厚度约为30nm。O、In和Sn元素均匀分布在3D In2O3@SnO2纳米复合材料中。与纯In2O3 NFs（12.8m2/g、5.6nm）和SnO2 NSs（18.9m2/g、20.0nm）相比，In2O3@SnO2核壳纳米复合材料具有31.4m2/g的大比表面积和17.4nm的小孔径。由于静电纺丝和水热处理的协同作用，更大的比表面积和合适的孔径可能会增加吸附位点，促进气体的反应，有助于提高气体传感性能。

传感特性：In2O3@SnO2纳米复合材料在120℃的最佳工作温度下能够对100ppm甲醛气体表现出180.1的最大响应值，分别是纯In2O3纳米纤维（Ra/Rg=19.7）和纯SnO2纳米片（Ra/Rg=33.2）的近9倍和6倍。此外，该气体传感器对100ppm甲醛的瞬时响应和恢复时间分别为3和3.6s。更重要的是，该传感器对甲醛的检测限可以低至10ppb（Ra/Rg=1.9），可用于痕量甲醛气体检测。

与In2O3 NFs和SnO2 NSs相比，3D分级In2O3@SnO2的HCHO敏感性能有所提高可归因于以下原因：首先，复合材料的独特电性能，三维层次In2O3@SnO2异质结构表现出更高的基极电阻和电导率。由于纳米纤维的高纵横比，In2O3核和SnO2纳米片之间的SnO2过渡层在材料的电阻变化中发挥重要的作用。其次，核壳异质材料之间具有独特的电子转移特性。当In2O3 NFs核与SnO2纳米片接触时，电子将从具有低功函数的In2O3核内部转移到具有高功函数SnO2壳层的外部，并且在In2O3@SnO2接点。第三，复合材料引起表面吸附氧的增加。根据XPS结果分析，In2O3@SnO2纳米复合材料在高温下表现出比纯In2O3纳米颗粒和纯SnO2纳米颗粒更强的峰强度和更大的峰面积，这表明In2O3@SnO2具有更多的HCHO可以结合的位点。第四，3D分级纳米结构的大表面积可以提供更多的活性位点并有助于吸附目标气体分子。

转自：“科研一席话”微信公众号

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