金属有机框架衍生的Co3O4/In2O3纳米结构用于二甲苯异构体的选择性检测 中文标题：金属有机框架衍生Co3O4/In2O3异质结纳米结构：实现二甲苯异构体高选择性传感的新策略

《Microchemical Journal》：Engineering of metal-organic framework-derived semiconductor metal oxides based on Co 3O 4: In 2O 3 nanostructures for m-xylene detection

本研究针对室内空气中挥发性有机物（VOCs）特别是二甲苯异构体难以选择性检测的难题，通过金属有机框架（MOF）模板法成功构建了钴铟比例可调的Co3O4/In2O3异质结纳米材料。研究发现3Co:In传感器在125°C对间二甲苯（m-xylene）表现出超高响应值（170），并证实通过调控工作温度可实现对不同异构体的选择性识别，为开发高性能气体传感器提供了新思路。

　　

在现代工业生产和日常生活中，挥发性有机化合物（VOCs）的监测对环境保护和人体健康具有重要意义。其中，二甲苯作为典型的芳香烃类VOCs，广泛用于油漆、染料和塑料工业，其三种异构体（邻、间、对二甲苯）由于结构相似性，使得选择性检测成为气体传感领域的重大挑战。传统金属氧化物半导体传感器虽然具有成本低、灵敏度高等优点，但普遍存在工作温度高、选择性差、交叉敏感等问题，严重制约其实际应用。

针对这一技术瓶颈，研究团队在《Microchemical Journal》上发表了创新性研究成果，通过金属有机框架（MOF）衍生物设计了一种新型Co₃O₄/In₂O₃异质结纳米结构，成功实现了对二甲苯异构体的高选择性检测。该研究不仅解决了同类气体传感器对结构相似物选择性差的难题，还通过系统阐述敏感机理为高性能传感器设计提供了理论指导。

研究人员采用MOF模板法结合热处理工艺，成功制备了钴铟比例分别为1:1、2:1、3:1和4:1的系列纳米材料。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、光致发光光谱（PL）和电子顺磁共振（EPR）等技术对材料进行表征，并构建化学电阻式气体传感器平台，系统评估其对多种VOCs（苯、丙酮、二甲苯异构体）的传感性能。

研究结果

材料表征与结构分析

XRD图谱证实所有样品均成功形成Co₃O₄和In₂O₃两相共存结构。SEM显示材料呈现由纳米颗粒组装的多孔结构，这种形貌有利于气体扩散和表面反应。XPS分析特别发现3Co:In样品具有最高的Co²⁺/Co³⁺比值（0.64）和丰富的氧空位（17.27%），这些特征为气体吸附和电子转移提供了有利条件。

气敏性能评估

传感器性能测试表明，所有材料均表现出p型半导体特性，即接触还原性气体时电阻增加。3Co:In传感器在125°C对100 ppm间二甲苯的响应值高达170，远优于其他比例样品。值得注意的是，传感器选择性呈现明显的温度依赖性：在75°C时对对二甲苯响应最高，100°C时间时对丙酮和间二甲苯敏感，125°C时对间二甲苯选择性最佳，150°C时则对邻二甲苯响应更优。这种温度调控的选择性机制为区分结构相似物提供了新思路。

敏感机理探讨

研究团队提出，优异的传感性能源于三方面协同作用：首先，p型Co₃O₄与n型In₂O₃形成的异质结有效调控了界面能带结构；其次，丰富的氧空位和Co²⁺/Co³⁺氧化还原对为气体分子吸附提供了更多活性位点；最后，材料的多孔结构促进了气体扩散和表面反应。XPS和EPR结果共同证实，表面氧化还原反应在气敏机制中起主导作用。

研究结论与意义

本工作通过精准调控MOF衍生材料的金属比例，成功开发出对间二甲苯具有超高响应和良好选择性的气体传感器。3Co:In传感器在125°C的工作温度下，对100 ppm间二甲苯的响应值达到170，响应/恢复时间为51/190秒，检测限低至0.1 ppb。研究首次系统揭示了通过温度调控实现二甲苯异构体选择性识别的规律，并深入阐述了异质结界面、氧空位和氧化还原对协同作用的敏感机制。

该研究不仅为二甲苯异构体的选择性检测提供了创新解决方案，而且为设计高性能化学电阻式气体传感器提供了新的材料设计策略和理论依据。特别是在室内空气质量监测、工业安全预警等领域具有广阔的应用前景，对推动气体传感技术的发展具有重要意义。