通讯作者介绍

吴莉莉 副教授

于山东大学获得博士学位，现任山东大学材料科学与工程学院副教授。主要从事功能半导体纳米材料设计、合成与气敏性能、光学性能、电磁波吸收性能的研究工作。

第一作者介绍

刘琳 硕士研究生

山东大学材料科学与工程学院硕士研究生。主要从事纳米材料的制备和表征以及基于纳米材料的气体传感器研究。

文章导读

NO₂作为一种严重的污染气体，不仅导致雾霾、光化学污染等环境问题，若人体的吸入量高更会导致严重的健康风险。为了及时探测环境中NO₂浓度，迫切需要开发一种低浓度NO₂气敏传感器。SnO₂是典型的n型半导体材料，广泛应用于气敏传感器，但纯SnO₂仍存在工作温度高、响应值低、响应速度迟缓等问题。山东大学吴莉莉副教授及其团队在 Materials 期刊发表的文章 (NO₂-Sensitive SnO₂ Nanoparticles Prepared Using a Freeze-Drying Method)，介绍了采用冷冻干燥法制备小粒径SnO₂的研究，该传感器在100 ℃下对NO₂具有超高的灵敏度，且具有良好的选择性和湿度稳定性。该项研究对于纯金属氧化物基气体传感器的研究具有重要意义。

研究过程与结果

作者在文中提出了采用水热法和冷冻干燥技术制备纯SnO₂ (SnO₂-FD) 的方法以用于NO₂气体传感器，并将其与普通干燥法制备的SnO₂ (SnO₂-AD) 进行对比，系统地研究了干燥方法对其气敏性能的影响。SnO₂-FD纳米颗粒的小粒径使之具有更大的表面积并能够与目标气体完全接触，从而为气体吸附提供了更多活性位点。另一方面，气敏性能的提高也归因于吸附氧含量的增加和电子结构的改善。

从图1 (a) 可以看出，各个温度点下SnO₂-FD对10 ppm NO₂的响应值均高于SnO₂-AD，在最佳工作温度 (100 °C) 下，SnO₂-FD的响应值为SnO₂-AD的17倍。图1 (b) 显示了不同温度下SnO₂-FD和SnO₂-AD的基线电阻变化，可以观察到SnO₂的基线电阻均随温度的升高而减小，表现出典型的半导体特性。有趣的是，在各个温度点下，SnO₂-AD的基线电阻均比SnO₂-FD高约两个数量级，这可能是载流子浓度差异造成的，并通过后续的霍尔效应测试验证了这一推测。SnO₂-FD具有较高的载流子浓度以及较高的电导率，从而导致较低的基线电阻。另一方面，作为n型半导体，SnO₂对氧化性气体NO₂的响应值 (S) 由暴露于NO₂中的稳定电阻 (Rg) 与空气中的基线电阻 (Ra) 的比值来定义。较小的基线电阻导致电阻变化更显著，从而导致更高的响应值。如图1 (c) 所示由于价带和导带之间的直接电子跃迁，SnO₂-FD的紫外吸收边缘发生红移，表明电子跃迁的活化能得到了有效减小。图1 (d) 表明冷冻干燥法制备的SnO₂的带隙明显缩小，是由于大量的缺陷的引入降低了电子跃迁的活化能，使NO₂能够更有效地从SnO₂导带获得电子，从而提高了其响应值和响应恢复速率。另一方面，在一定温度下，更多电子被激发进入导带，增加材料中的载流子浓度，从而促进传感器与NO₂之间的电子转移，进一步促进气敏反应。

图1. (a) 不同温度下SnO₂传感器对10 ppm NO₂的响应；(b) SnO₂传感器在不同工作温度下的电阻；(c) SnO₂的紫外−可见吸收光谱；(d) SnO₂的 (αhν)²-hν曲线图。

总结

本文采用水热法和冷冻干燥法制备的小尺寸SnO₂-FD颗粒在低温下对NO₂具有良好的气敏性能。冷冻干燥法制备的SnO₂的带隙明显缩短，载流子浓度增加，颗粒粒径减小。在100 ℃下，SnO₂-FD传感器对10 ppm NO₂具有超高的响应值 (886.2) 和快速的响应/恢复时间 (74/27 s)。此外，该传感器具有极低的检测限、良好的选择性和湿度稳定性。本研究为纯金属氧化物半导体气敏材料的制备提供了新的思路。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2888294

进入期刊英文主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

2023 Impact Factor：3.1(JCR Q1*, Q2**) 

2023 CiteScore：5.8

Time to First Decision：15.5 Days

Acceptance to Publication：3.4 Days

*JCR Q1 at “METALLURGY & METALLURGICAL ENGINEERING”

**JCR Q2 at “MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY”