在常温常压条件下，使用Ga?O?/MoO?纳米复合材料制成的高选择性氨气传感器

《Materials Science and Engineering: B》：Highly selective ammonia gas sensor using Ga 2O 3/MoO 3 nanocomposite at ambient atmospheric conditions

纳米复合材料合成及其氨气传感特性研究。通过水热法结合物理混合制备了β-Ga?O?/MoO?纳米复合材料，采用XRD、SEM、BET等手段分析其结构形貌，发现添加2.5%-7.5% MoO?可使氨气响应率显著提升，最高达420.12%。研究揭示了湿度吸附与电子效应协同作用机制。

　　

Madhura N. Talwar | Asha P. Shirni | Rajendra Kumar R. T. | Gnana Prakash A. P

印度迈索尔大学物理研究系，Manasagangothri，迈索尔 570 006

摘要

通过水热法制备了不同MoO₃浓度（2.5%、5%和7.5%）的β-Ga₂O₃和MoO₃纳米复合材料，并通过物理混合进行了处理。利用XRD、SEM、EDAX、TEM、XPS和UV-可见光谱等技术对这些纳米复合材料的形态、结构和光学性质进行了表征。同时采用BET分析法对其比表面积进行了分析。在室温下对制备的复合材料进行了氨（NH₃）传感性能的研究。结果显示，随着MoO₃浓度的增加，材料对氨的响应增强，当相对湿度（RH）为69%时，100 ppm NH₃下的最大响应率为420.12%，响应时间为53.75秒，恢复时间为27.44秒。还对相同纳米复合材料在湿度变化条件下的传感性能进行了研究。室温下氨的增强传感效果归因于材料表面吸附的湿气和氧气以及化学和电子敏化效应的共同作用。

引言

氨（NH?）是一种无色气体，具有刺激性气味，因其毒性和腐蚀性而备受关注。由于氨的毒性及潜在的健康危害，在环境监测、农业和工业安全等领域中，检测氨（NH?）至关重要[1,2]。接触氨可能导致一系列急性和慢性健康问题，主要影响呼吸系统。短期暴露于高浓度氨气会导致眼睛、鼻子和喉咙的严重刺激，出现咳嗽、喘息和呼吸困难等症状[3,4]。在更严重的情况下，氨气暴露还可能导致皮肤和眼睛的化学灼伤，以及肺水肿，这是一种潜在的生命威胁状况，其特征是肺部积液[[5], [6], [7]]。由于大气中约16–28%的氨气浓度具有致命性，因此准确监测气体浓度对于维护健康环境至关重要[8,9]。因此，学术界和工业界都需要开发能够在室温下检测低浓度（100 ppm）氨气的有效气体传感器。通常使用多种技术来检测有害气体，如气相色谱法、光谱法、电化学方法和半导体[10], [11], [12], [13]]。由于过渡金属氧化物半导体气体传感器对不同气体的敏感响应能力强，因此被证明比其他方法更高效且成本更低[14], [15], [16]]。

在各种透明导电材料中，氧化镓（Ga₂O₃）因其优异的性能和多功能性而在气体传感领域受到了广泛关注。它具有较宽的带隙（约4.2至5.2 eV），根据其晶体相的不同，Ga₂O₃表现出优异的电学和光学特性，适用于多种传感应用[17,18]。β-Ga₂O₃是最稳定的相，尤其在高温气体传感方面表现出色，因为它即使在恶劣环境中也能保持结构完整性和功能[19,20]。Ga₂O₃对氧气、氨和二氧化氮等多种气体的敏感性是其作为气体传感器的基础。通过缺陷工程和掺杂可以进一步增强这种敏感性，从而改变材料的电子性质。例如，用锡掺杂Ga₂O₃可以提高其导电性和气体传感性能，从而更准确地检测目标气体[21]。此外，Ga₂O₃的纳米化处理（如形成纳米线或纳米颗粒）可以增加表面积与体积比，从而增强与气体分子的相互作用并改善传感器响应时间[22,23]。最近的研究表明，表面修饰、异质结构形成和湿度辅助吸附过程可以显著提高气体传感性能[24], [25], [26], [27]。将Ga₂O₃与其他材料复合可以产生协同效应，进一步提高气体传感能力。例如，Ga₂O₃与MWCNTs或其他金属氧化物的复合材料可以提高选择性和灵敏度，使其适合检测低浓度气体[28], [29], [30]]。

另一方面，MoO₃因其多样的晶体相和高反应性而在气体传感中表现出色[27]。由于其优异的电导率和稳定性，MoO₃可以检测多种气体，如二氧化氮、氨和挥发性有机化合物（VOCs）[31], [32], [33]。由于MoO₃能够在相对较低的工作温度下高效运行，因此在能源效率至关重要的实际应用中更具优势[34]。Abdullah等人制备了涂有SnO₂的Ga₂O₃纳米带用于H₂气体传感器。实验结果表明，这种SnO₂涂层的Ga₂O₃气体传感器在室温下可工作至200°C，对宽范围的H₂浓度（33–1000 ppm）具有可逆响应，并且功耗低[35]。

将Ga₂O₃和MoO₃结合成单一纳米复合材料是气体传感器技术的一个有前景的发展方向，尤其是在氨（NH?）检测方面。这两种材料结合使用可以增强气体传感器的灵敏度和选择性。Ga₂O₃和MoO₃的气体传感机制主要基于它们与气体分子的相互作用，这种相互作用会导致它们的电阻变化。当暴露于NH₃时，这些金属氧化物会发生表面反应，改变其载流子浓度，从而引起可测量的导电性变化[36,37]。表1列出了使用不同纳米颗粒制备的不同化学阻变NH₃气体传感器的列表及其传感参数。

在本研究中，使用了水热法合成的β-Ga₂O₃纳米复合材料以及不同比例的MoO₃（2.5%、5%和7.5%）来研究其对NH₃气体的传感性能。该复合材料还在室温（RT）下不同相对湿度（RH）条件下进行了测试。

部分内容

Ga₂O₃/MoO₃纳米复合材料的合成

采用水热法制备了Ga₂O₃和MoO₃纳米颗粒。首先，用20 ml去离子水溶解0.51 g硝酸镓（III）水合物（Ga (NO₃)₃·nH₂O）和0.116 g十二烷基硫酸钠（SDS），然后搅拌20分钟。使用1 N NaOH（10 ml纳米纯水中含有0.4 g NaOH）将溶液的pH值维持在10，并持续搅拌一小时。之后，将混合物放入特氟龙涂层的高压釜中...

XRD分析

图2显示了使用Rigaku-minifex仪器（波长为1.5406 ?）记录的合成纳米复合材料的XRD结果。原始Ga₂O₃和MoO₃纳米颗粒的XRD图谱中出现了强烈且明显的峰，证实了这些纳米颗粒的结晶性和均匀性。所有原始样品和纳米复合材料的XRD数据均使用HighScore Plus工具进行了分析，确认制备的Ga₂O₃纳米颗粒符合ICDD标准。

CRediT作者贡献声明

Madhura N. Talwar：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、数据可视化、方法论设计、实验设计、数据分析、数据整理。Asha P. Shirni：数据分析、数据整理。Rajendra Kumar R. T.：验证工作、资源协调、数据整理。Gnana Prakash A. P：项目指导。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者Madhura N. Talwar感谢科学与工业研究委员会（CSIR）提供的财政支持（奖项编号：09/119(0216)/2019-EMR-I）。