基于金属有机骨架的ZnO/ZnCo2O4空心核壳纳米笼气敏性能增强路线设计

High-Performance N‑Butanol Gas Sensor Based on Iron-Doped Metal−Organic Framework-Derived Nickel Oxide and DFT Study   

基于金属有机骨架的ZnO/ZnCo2O4空心核壳纳米笼气敏性能增强路线设计

文献来源:期刊：ACS Appl. Mater. Interfaces

作者：Mengjie Wang等

通讯作者：Guofeng Pan, Xueli Yang

机构：河北工业大学电子与信息工程学院天津市电子材料与器件重点实验室。

简介

作者采用简单的两步水热法合成了铁掺杂NiO纳米材料。采用多种表征方法对合成的掺铁NiO的结构和形貌进行了研究。根据扫描电子显微镜和透射电子显微镜的研究，制备的样品是由纳米颗粒形成的多层花状结构。对气敏性能的研究结果表明，1.5 at % Fe−NiO传感器的响应比纯NiO传感器大近100倍，检测下限大大降低(50 ppb)。1.5 at % Fe - NiO传感器对正丁醇有较好的传感性能。在NiO晶格中加入适量的Fe改变了载流子浓度，这是适量掺铁NiO提高传感器性能的主要原因。此外，采用基于第一性原理的密度泛函理论计算方法，研究了纯NiO和1.5 at % Fe−NiO对正丁醇的吸附性能和电子行为。

结果与讨论

XRD图像显示样品的(200)衍射峰都随着掺杂程度的增加而减小，作者推断这是Fe3+离子穿透NiO晶格并引起局部应变和变形。SEM图像显示样品由纳米片组装成松散的凝乳状，但有少量团聚现象。掺杂Fe后的纳米片形貌比纯氧化镍更均匀，厚度减小。它能提供更多的活性位点，有利于气体的输送和扩散。TEM与SEM结果一致。

力。

作者发现，在NiO中掺杂适量Fe后，S2传感器对正丁醇的选择性优于其他传感器，与S0传感器相比有明显提高。铁掺杂后使得传感器的响应/恢复时间出现显著降低，检测下限明显降低。该传感器还具有较好的选择性和长期稳定性。

作者认为性能的提高主要有以下的因素：(1)为了加速氧化过程，Fe3+位点起催化作用(2) Fe/NiO界面异质结的发展使电荷损耗层变厚，并促进了各种环境下的电阻变化(3) Fe3+的掺杂显著影响了Ni2+的氧化态，使Ni2+向Ni3+的转化更大，具有更好的催化氧化能力(4)掺杂Fe3+对材料的氧含量也有影响。最后通过DFT计算进一步证明了材料优异的气敏性能。

结论

作者采用两步水热法合成掺铁NiO，并通过DFT计算探讨了丁醇对掺铁NiO的吸附机理。研究结果表明，S2传感器的气体检测能力具有较低的检测限，在其最佳工作温度为275℃时，对正丁醇(100 ppm)的响应值为114。S2传感器的气体响应优于S0传感器约100倍。这主要是由于Fe3+加入到NiO晶格中所引起的许多过程的协同相互作用，进而导致空穴浓度的实际降低和响应性的提高。

转自：“科研一席话”微信公众号

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