研究AuNP（金纳米粒子）修饰对SnO2薄膜性能的影响，以提升其在室温下的甲烷检测能力

《Surfaces and Interfaces》：Investigating the impact of AuNP decoration on SnO2 thin films for enhanced room temperature methane sensing

室温下金纳米颗粒修饰的SnO?薄膜用于甲烷检测，通过热蒸发法制备的SnO?薄膜存在氧空位，AuNP修饰后催化活性增强，形成d带中的空穴与甲烷作用，电子-空穴复合显著提升响应度至123.07%，响应时间1.5秒，恢复20秒，同时具备良好选择性和环境稳定性，适用于环境监测和医学诊断。

　　

Bodhishatwa Roy | Subrata Mandal | Saikat Jati | Jay Sharma | Satyaban Bhunia | Sayan Kanungo | Anupam Karmakar | Sanatan Chattopadhyay

加尔各答大学电子科学系，印度加尔各答，700009

摘要

在本研究中，采用简单的热蒸发技术在室温（300 K）下制备了AuNP修饰的SnO₂薄膜，用于甲烷传感。热沉积的SnO₂薄膜具有多晶结构，并在其表面存在氧空位。与未经修饰的SnO₂薄膜相比，AuNP修饰的SnO₂薄膜对15 ppm的CH₄具有123.07%的增强室温传感响应，响应-恢复时间分别为1.5秒和20秒。这种增强的传感响应归因于AuNPs的高催化活性，它们通过氧吸附在AuNPs的d带中产生空穴，从而在室温下促进AuNP-SnO₂界面处的电子-空穴复合，实现显著的传感效果。此外，制备的AuNP修饰SnO₂传感器还表现出良好的选择性、可靠性、重复性和耐湿性，表明其具有作为室温甲烷传感器的潜力。

引言

对环境污染物检测需求的增加以及开发用于医学诊断的非侵入式设备的需求，推动了气体传感器研究的持续发展[1]。采用金属氧化物的电子气体传感器因其低成本制造工艺、长期稳定性、低毒性和高灵敏度而受到广泛关注[[1], [2], [3], [4]]。在这方面，SnO₂因其固有的氧空位（V_o）而被广泛用于检测还原性气体，这些氧空位主要控制着金属氧化物的传感机制[[5], [6], [7], [8]]。这些空位促进了环境氧的化学吸附，形成活性氧物种[[7], [8]]，从而在SnO₂中创建了一个电子耗尽区域，阻碍了电子的进一步传导，降低了SnO₂的导电性[6]。当还原性气体吸附到SnO₂上时，会与这些吸附的氧物种发生相互作用，进一步改变SnO₂的导电性，这可以作为检测此类气体的可测量参数[6]。然而，这种与吸附氧物种的相互作用在室温下并不显著，因此室温下的气体传感具有挑战性[6,[9], [10], [11]]。在这方面，已有报道指出实现室温气体传感的常用方法包括使用纳米颗粒（NPs）对表面进行功能化[[12], [13], [14], [15], [16]]、开发核壳结构[[17], [18]]、调节尺寸和形态[[19], [20], [21]]、形成超分子化合物[22]以及通过催化元素进行掺杂[23]。其中，使用NPs进行表面功能化由于其独特的物理化学性质、高催化效应和表面积与体积比而特别值得关注，这些特性使得室温传感成为可能[4,12,[14], [15], [16], [23,24]。然而，目前尚未探索使用金属NPs修饰SnO₂表面以实现室温下的甲烷（CH₄）传感。

甲烷（CH₄）是一种众所周知的还原性气体，在自然界中含量丰富，广泛用作家庭和工业用途的燃料[22,[25], [26], [27]]。它也是最简单的碳氢化合物之一，如果浓度控制不当，容易发生爆炸[28], [29]]。有报道称，当煤矿中的CH₄浓度超过5体积%时，会发生爆炸[30]。此外，CH₄在导致全球变暖的污染物中排名仅次于CO₂，约占16%，对全球平均温度的升高有所贡献[[31], [32], [33]]。因此，检测CH₄至关重要，因为一旦释放，它会在环境中存在很长时间，因此被世界卫生组织（WHO）列为环境危害气体[25,[33], [34], [35]]。另一方面，CH₄也被认为是检测便秘性肠易激综合症（C-IBS）的潜在生物标志物[[36], [37], [38]]。因此，检测CH₄的微量浓度对于环境和医学诊断都非常有益[38]。

鉴于此，本研究提出了一种新的方案，通过用AuNPs修饰SnO₂表面来开发室温CH₄传感器。讨论了CH₄在AuNP修饰的SnO₂表面上的检测机制，这是由于环境分子氧的吸附在AuNPs的d带中产生空穴。这些空穴在CH₄暴露时与释放的电子复合，从而增强了室温下的传感响应。此外，制备的器件还表现出良好的选择性、长期稳定性和耐湿性。此外，本研究还研究了这类传感器的变异性，结果显示其在操作方面具有出色的可靠性、重复性和可重复性，表明其具有检测CH₄微量浓度的潜力，可用于环境监测和诊断便秘相关疾病。

实验部分

实验

制备AuNP修饰的SnO₂基CH₄传感器的实验过程包括：AuNPs的化学合成、使用化学浴沉积（CBD）技术合成SnO₂粉末（详细信息分别见补充材料的S1和S2部分），最后使用热蒸发技术将SnO₂粉末沉积在干净的玻璃基底上。首先，将沉淀的SnO₂粉末用去离子水冲洗，以去除任何残留杂质

结果与讨论

图2(a)显示了生长在玻璃基底上的SnO₂薄膜表面的FESEM图像。该FESEM图像表明，由于CBD提取的SnO₂粉末的热蒸发，形成了具有片状纳米结构的连续薄膜。薄膜的厚度通过光谱椭圆仪测量得出。图2(b)中观察到的实验值和模拟值（ψ和Δ）之间有很好的一致性，表明

结论

总之，本研究展示了使用AuNP修饰的SnO₂薄膜在室温下制备和检测CH₄传感器的机制。通过热蒸发技术沉积的SnO₂薄膜具有多晶结构，并在其表面存在氧空位。从PL光谱学观察到的表面氧空位使得原始SnO₂在室温下对甲烷的检测响应仅为0.06%

CRediT作者贡献声明

Bodhishatwa Roy：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、数据分析、概念化。Subrata Mandal：研究、数据分析。Saikat Jati：研究、数据分析。Jay Sharma：数据分析。Satyaban Bhunia：资源提供、数据分析。Sayan Kanungo：资源提供、数据分析。Anupam Karmakar：撰写——审阅与编辑、监督、资源提供。Sanatan Chattopadhyay：撰写——审阅与编辑、可视化

利益冲突声明

B. Roy等人撰写的论文“研究AuNP修饰对SnO₂薄膜在增强室温甲烷传感方面的影响”的作者声明没有与该论文相关的利益冲突或竞争利益。

致谢

Bodhishatwa Roy感谢Lady Tata Memorial Trust提供奖学金以支持这项研究工作。作者还感谢DST PURSE、WBDITE（印度西孟加拉邦）和加尔各答大学纳米科学与纳米技术研究中心（CRNN）为这项工作提供的基础设施支持。此外，作者还要感谢Birla理工学院电气与电子工程系的Naresh Bahadursha先生的支持