双金属mofs衍生核壳结构介孔掺锡NiO用于电导式ppb级二甲苯气体传感器

Bimetallic MOFs-derived core-shell structured mesoporous Sn-doped NiO for conductometric ppb-level xylene gas sensors

双金属mofs衍生核壳结构介孔掺锡NiO用于电导式ppb级二甲苯气体传感器

文献来源:期刊：Sensors and Actuators: B. Chemical

作者：Qi Yu等

通讯作者：Tianshuang Wang，Peng Sun

机构：吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室;吉林大学化学学院无机合成与制备化学国家重点实验室;集成光电子学国家重点实验室，先进气体传感器吉林省重点实验室；吉林大学国际未来科学中心。

简介

作者展示了从双金属MOFs中衍生出的核壳结构的介孔Sn掺杂NiO，该框架通过热液和离子交换过程的组合策略合成，用于构建高性能二甲苯气体传感器。MOFs衍生的介孔结构增加了敏感反应位点的数量，提高了气体吸附能力，为气体扩散提供了渗透通道。此外，Sn4+离子原位取代Ni2+离子可以实现载流子浓度的调控。结果表明，在250◦C条件下，所合成的核壳型介孔2.64 at% sn掺杂NiO基二甲苯传感器具有高灵敏度、优异的选择性、低检出限(63 ppb)、快速恢复动力学和良好的长期稳定性。

材料的制备

依据前人的方法，采用水热法合成Ni-MOF材料;然后加入一定量的SnCl4。在H2O中，通过离子交换法制备Sn/Ni-MOFs材料。

结果与讨论

采用了TEM、SEM、XRD等表征手段证明了材料的成功制备。Ni-MOF和Sn/Ni-MOFs都是光滑的纳米球结构，纳米球的直径主要集中在500-600 nm左右，Sn4+离子的掺杂并没有明显改变Ni-MOF材料的形貌。NiO和Sn掺杂NiO的衍射峰均与面心立方结构NiO的标准峰一致(JCPDS: 47-1049)， Sn掺杂NiO样品中未发现四方SnO2衍射峰，说明Sn4+成功掺入NiO晶格。

通过气敏测试结果可以发现，杂原子掺杂策略可以增强NiO基敏感材料对二甲苯的气体响应，此外，核壳介孔2.64 at% sn掺杂NiO基传感器在250◦C对100 ppm二甲苯的灵敏度最高(Rg/Ra = 46.7)，是NiO基传感器(Rg/Ra = 1.7)的27.5倍。在不同工作温度下NiO和掺Sn的NiO基传感器在空气中的基线电阻，气体传感器的基线电阻随着温度的升高而逐渐减小，这与MOS气体传感器的温度依赖特性是一致的。此外，材料具有良好的重复性、稳定性和对浓度的线性关系。由于水中毒，敏感性随湿度的增加而略有下降，基于总体来看，核壳介孔2.64 at% sn掺杂NiO基传感器具有抗湿性能。

总结

综上所述，作者报道了一种双金属MOFs衍生的核壳介孔Sn掺杂NiO，通过水热法和离子交换法的组合策略，实现了Sn4+离子原位取代Ni2+离子和掺杂含量的控制。MOFs衍生物具有介孔结构和较高的孔隙互通性，有利于提高气体分子的表面扩散系数，并提供大量的传感活性位点。此外，可控杂原子(Sn4+)掺杂会极大地影响NiO中的空穴浓度，增加缺陷氧的数量。值得注意的是，核壳介孔掺锡NiO (2.64 at %)基气体传感器对100 ppm二甲苯(Rgas/ Rair = 46.7)具有较高的灵敏度，且检测限低(63 ppb)，选择性好，长期稳定性好。

转自：“科研一席话”微信公众号

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