理性设计高选择性气体敏感材料的新策略

气体传感器在环境监测、智能家居和可穿戴设备等社会发展和人类生活的各个方面有着越来越重要的应用。半导体电阻式气体传感器具有实时操作、便携易用和结构简单等优点，是当前研究最广泛的化学传感器。虽然目前以SnO₂、ZnO和In₂O₃为代表性气敏材料的半导体传感器已经取得一定的应用，但它们通常不可避免地遭遇到干扰气体的交叉响应。由于气敏反应机理的复杂性和影响因素较多，气体传感器选择性和半导体材料结构的关系很不明确，选择性差一直困扰着相关领域的研究人员，成为制约半导体气体传感器发展的瓶颈问题。

最近，吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室邹晓新博士（点击查看介绍）课题组建立了半导体费米能级-功函-表面吸附氧氧化能力的内在关联，基于此，提出了“表面氧化学调控”提高半导体敏感性能的新方法，即通过调控半导体费米能级，优化吸附氧与待测物的化学反应，实现半导体敏感性能（尤其是单一气体选择性）提升。

该工作研究了一系列镓基尖晶石氧化物，挖掘出CdGa₂O₄具有适合的禁带宽度和载流子类型，是潜在的理想气敏材料。比较CdGa₂O₄和SnO₂、ZnO、In₂O₃等经典气敏材料的电子结构发现，CdGa₂O₄费米能级更高，因此其表面吸附氧有更低的氧化能力，能够实现对强还原性气体甲醛的单一选择性检测。进一步，该工作设计合成了一种CdO纳米粒子修饰的富镓型CdGa₂O₄多孔纳米纤维，显著提升了对甲醛的响应值，并维持甲醛选择性不变。研究发现，富镓型CdGa₂O₄尖晶石中部分Ga³⁺替代四面体间隙Cd²⁺位置，形成施主能级掺杂，在导带产生自由电子，有利于增加材料对氧分子的化学吸附，提高材料的甲醛响应。该工作提供了一种从电子结构层面优化半导体表面氧化学，实现高选择性和高响应气敏性质的普适方法。

相关工作发表在Chemistry of Materials 上，第一作者为吉林大学博士研究生陈辉。

该论文作者为：Hui Chen, Lei Sun, Guo-Dong Li, and Xiaoxin Zou*

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Well-Tuned Surface Oxygen Chemistry of Cation Off-Stoichiometric Spinel Oxides for Highly Selective and Sensitive Formaldehyde Detection

Chem. Mater., 2018, 30, 2018-2027, DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b05251

导师介绍

邹晓新

http://www.x-mol.com/university/faculty/31093