金纳米粒子修饰的氮掺杂ZnO纳米材料在氢气检测性能上的提升：增强灵敏度与快速响应能力

《IEEE Transactions on Nanotechnology》：Enhanced Hydrogen Gas Sensing Performance of Gold Nanoparticle Decorated Nitrogen-Doped ZnO Nanomaterials for Improved Sensitivity and Rapid Response

氢气传感性能提升：通过金纳米颗粒修饰氮掺杂氧化锌（ZnO）纳米材料，采用湿化学法合成并掺杂不同浓度氮（0.5%、1.0%、1.5%），XRD和TEM表征证实材料结构完整且Au均匀负载，UV-Vis显示532 nm处表面等离子体共振峰，PL光谱表明有效电荷转移，气敏测试显示1.0% N掺杂Au修饰ZnO在200℃时响应度达89%（未修饰为46%），响应时间10秒，恢复时间15秒。

　　

摘要：

本研究探讨了通过金（Au）纳米颗粒的修饰来增强氮掺杂氧化锌（ZnO）纳米材料对氢气（H2）的传感性能。ZnO纳米颗粒采用湿化学方法制备，并分别掺杂了0.5%、1.0%和1.5%的氮元素，随后用Au纳米颗粒进行修饰。X射线衍射（XRD）分析表明，ZnO的结构保持完整，同时出现了对应于Au的38.19°的特征峰。透射电子显微镜（TEM）观察结果显示，球形Au纳米颗粒在ZnO表面均匀分布。紫外-可见光谱（UV-Vis）显示，由于表面等离子体共振效应，在532 nm处出现了吸收峰的增强。光致发光（PL）光谱表明，ZnO与Au之间的电荷转移效果显著，导致发射强度降低。气体传感测试结果显示，掺杂1.0 wt.%氮的Au修饰ZnO传感器在200°C时的H2气体响应率最高，达到89%，远高于未修饰样品的46%。此外，这种Au修饰的ZnO传感器具有10秒的快速响应时间和15秒的恢复时间。这些结果凸显了Au修饰的氮掺杂纳米材料作为高效H2气体传感器的潜力，其结合了优异的灵敏度和快速的响应动力学。

引言

在当今时代，为了保护地球和环境免受各种污染、城市化、工业化等因素的影响，清洁能源的需求日益迫切。几十年来，能源生产主要依赖化石燃料、热能和核能等不可再生能源，这些资源对环境造成了严重破坏[24]。因此，提高对可再生能源的认识并推动其发展已成为当务之急[8]。近年来，研究人员和工业界对能源生产和存储设备产生了浓厚兴趣。锂离子电池、燃料电池和超级电容器被广泛用于能源存储领域[28]。然而，这些电池在运行过程中会释放H₂气体。同时，氢气也被认为是最清洁的燃料来源之一[12]。然而，当空气中H₂气体浓度超过4%至75%时，它会变得极具爆炸性，而且由于氢气无色无味，人类难以察觉[26]。因此，检测和监测H₂气体变得至关重要。金属氧化物材料具有独特的机械、光学、电学和磁学性能，被广泛应用于催化、电池、燃料电池和超级电容器等领域[2]。特别是金属氧化物半导体，它们具备成为优秀传感器的所有条件，但需要进一步提高其工作温度和选择性以达到理想性能[14]。纳米结构的金属氧化物半导体能够显著提升传感性能[Singh等人，2021]。纳米化处理增加了活性位点数量并改变了材料形态，从而优化了气体的吸附和脱附过程[Yang等人，2019]。过去几十年中，基于金属氧化物的H₂气体传感器得到了广泛研究。Yifan Luo等人对贵金属掺杂的金属氧化物半导体基H₂气体传感器进行了深入探讨[Luo等人，2020]，并提出将金属氧化物半导体与无机材料结合可能是提升传感能力的另一种方法[29]。Yushu Sh等人总结了金属氧化物半导体合成技术的最新进展及其在纳米材料中的应用价值[Sh等人，2022]。在各种金属氧化物半导体中，ZnO常被用作有毒气体的检测传感器[19]。ZnO属于宽带隙（约>3 eV）的n型II-IV族半导体，具有易于制备、成本低廉、环保和生物相容性高等优点[2]，其传感性能通过纳米化处理得到了进一步提升[19]。Potica等人发现，基于ZnO四足体（ZnO-T）与MexOy和ZnxMe1?xOy（Me = Bi和Sn）的混合3D结构表现出更好的气体传感性能[Potica等人，2023]，并通过密度泛函理论（DFT）计算验证了费米能级变化及分子与表面物种之间的电荷转移[Potica等人，2023]。本文尝试通过用Au纳米颗粒修饰氮掺杂的ZnO表面来提升其H₂气体传感性能。实验中成功制备了高结晶度的纯ZnO材料，并分别掺杂了不同浓度的氮元素，随后嵌入Au纳米颗粒。研究结果表明，这种材料有望成为高性能的H₂气体传感器。