不同合成方法调控CuO氧空位与表面化学性质对H2S传感机制的DFT辅助研究

针对CuO基H2S传感器响应机制不明的问题，研究人员通过五种方法合成梯度性能的CuO，结合XPS/BET/TPD等表征与DFT计算，揭示氧空位和表面吸附协同调控传感性能的机制，发现Cu-S键及SO2/Cu-SO4生成路径，为高性能金属氧化物传感器设计提供理论依据。

　　

【研究背景】
空气中潜伏的"隐形杀手"——氢硫化氢(H₂S)，即使在2-5 ppm的极低浓度下也会引发头痛，超过100 ppm更会导致神经麻痹。这种广泛存在于造纸、石油炼制等工业过程中的有毒气体，其监测需求日益迫切。金属氧化物半导体传感器因其成本低、灵敏度高而备受关注，其中氧化铜(CuO)因窄带隙(1.2-1.5 eV)特性成为研究热点。但令人困惑的是，不同研究团队报道的CuO对H₂S响应值差异显著：从室温下8.24（MoO₃/CuO/g-C₃N₄复合材料）到100℃时仅60%（纯CuO薄膜），这种差异背后隐藏的机制尚未阐明。

【技术方法】
国家重点研发计划支持的研究团队采用五种方法合成CuO，通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、比表面积分析(BET)、程序升温脱附(TPD-CO₂/NH₃)和扫描电镜(SEM)进行系统表征，结合密度泛函理论(DFT)计算，探究氧空位与表面化学性质对传感性能的影响机制。

【研究结果】

1. 相结构分析
   XRD显示所有CuO样品均与标准卡片(JCPDS 80-1268)完美匹配，在2θ=35.5°、38.7°处呈现特征峰，证实样品高纯度。

2. 化学组成解析
   XPS全谱扫描发现不同合成方法制备的CuO表面元素价态存在差异，特别是氧空位浓度呈现梯度变化，这为后续性能差异提供物质基础。

3. 关键发现
   (1) BET比表面积与TPD测定的酸碱活性位点数量无直接相关性，颠覆传统认知；
   (2) DFT计算揭示H₂S强吸附能(-2.31 eV)是选择性的关键，响应值由氧空位浓度和吸附能力共同决定；
   (3) 原位XPS证实传感过程中生成Cu-S键，最终产物为SO₂和Cu-SO₄，阐明反应路径。

【结论与意义】
该研究首次建立CuO合成方法-氧空位-表面化学-传感性能的构效关系，提出"氧空位促进吸附，吸附主导响应"的双因素调控模型。不仅阐明CuO对H₂S的选择性源于强化学吸附，更发现表面硫酸盐化是灵敏度衰减的重要原因。发表于《Applied Surface Science》的这项成果，为设计抗中毒、高灵敏的金属氧化物传感器提供全新视角，对工业安全监测和环境污染防控具有重要指导价值。