基于丝瓜生物模板法构建In2O3纳米片及其高效氯气传感性能研究

为解决工业环境中Cl2检测存在的操作复杂、工作温度高及检测限不足等问题，太原科技大学团队通过丝瓜生物模板法合成In2O3纳米片。该材料在160°C低温下对0.5 ppm Cl2表现出116的高响应值、36/32秒的快速响应/恢复时间，以及优异的选择性，其性能归因于介孔结构、大比表面积和丰富氧空位，为工业有毒气体监测提供了新方案。

　　

氯气（Cl₂）作为具有强刺激性和腐蚀性的有毒气体，在化工、电子和农药行业中广泛应用，但低浓度暴露即可引发呼吸道和眼部损伤。美国环保署（EPA）规定的环境空气限值为0.5 ppm，而现有检测技术如甲基橙分光光度法、气相色谱法等存在操作复杂、设备昂贵等问题。金属氧化物半导体传感器虽成本低且易于量产，却普遍面临选择性差、工作温度高（通常≥300°C）的瓶颈。以In₂O₃为代表的宽禁带半导体虽具潜力，但传统水热法制备的片状结构需高温（300°C）且响应值仅54.7（5 ppm Cl₂）。如何通过简易工艺开发低温高效Cl₂传感器成为研究焦点。

太原科技大学的研究团队创新性地采用丝瓜生物模板法，通过三步简易流程制备出具有独特形貌的In₂O₃纳米片。丝瓜的三维网状结构和高孔隙率为材料提供了理想模板。研究通过X射线衍射（XRD）确认产物为立方相In₂O₃（JCPDS NO.06-0416），扫描电镜（SEM）显示材料由覆盖立方颗粒的片状结构组成，透射电镜（TEM）进一步揭示其表面存在纵向晶粒凸起。

表征结果显示，In₂O₃纳米片较传统颗粒具有更均匀的介孔分布和更大比表面积。X射线光电子能谱（XPS）证实材料富含氧空位，这显著提升了表面活性位点。

气敏性能测试表明，该传感器在160°C低温下对0.5 ppm Cl₂的响应值达116，远超同类材料（如酵母模板法制备的In₂O₃空心微球在240°C下对10 ppm Cl₂响应仅98）。响应/恢复时间分别缩短至36秒和32秒，且对Cl₂的选择性显著优于乙醇、丙酮等干扰气体。

结论与讨论指出，丝瓜模板法成功构建的In₂O₃纳米片通过介孔结构促进气体扩散，大比表面积增加反应位点，氧空位增强电子转移效率，三者协同作用实现了低温高效检测。该研究为生物模板法设计功能材料提供了范例，其简易工艺和优异性能对工业安全监测具有重要应用价值。论文发表于《Vacuum》，通讯作者为Jiangwei Ma。