金属有机框架衍生的多孔Co3 O4 /Co@N-C纳米片实现近室温高效选择性氨气传感

研究人员针对传统Co3 O4 半导体材料在氨气检测中比表面积低、活性位点不足及交叉敏感性等问题，通过金属有机框架（MOF）模板法制备了多孔Co3 O4 /Co@N-C纳米片。该传感器在60℃下对100 ppm氨气响应达180%，响应时间仅21秒，检测限低至1 ppm，兼具优异选择性和稳定性，为环境监测与医疗诊断提供了新方案。

　　

氨气（NH₃
）既是农业生产的关键原料，又是肝肾功能障碍的生物标志物，但其高毒性（25 ppm即可引发炎症）亟需开发高性能传感器。传统金属氧化物半导体（MOS）如Co₃
O₄
虽成本低廉，却受限于高工作温度（通常＞200℃）和低选择性。如何实现近室温下的快速、高选择性检测成为研究难点。

为解决这一挑战，苏州大学与安徽省教育厅资助的研究团队创新性地利用金属有机框架（MOF）作为牺牲模板，通过水热合成与双阶段热处理，制备出多孔Co₃
O₄
/Co@N-C纳米片。该材料在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究中展现出突破性性能：60℃下对100 ppm氨气的响应值达180%，响应时间仅21秒，且检测限低至1 ppm，远超同类传感器。

关键技术方法
研究采用MOF辅助水热法合成前驱体，经300℃碳化获得目标材料。通过X射线衍射（XRD）确认Co₃
O₄
立方晶相，氮气吸附测试显示2-3 nm介孔结构及71.99 m2/g高比表面积。密度泛函理论（DFT）模拟揭示了Co-N₂
表面对氧分子的强吸附特性。

研究结果

1. 材料表征：Co₃
   O₄
   /Co@N-C-300保留了MOF衍生的分级多孔结构，Co金属与N-C框架的共存增强了电子迁移。
2. 传感性能：60℃下对氨气响应值较纯Co₃
   O₄
   提升3倍，且对丙酮、甲醛等干扰气体响应可忽略。
3. 机制分析：介孔结构选择性筛分氨分子，Co金属催化作用与N-C的导电性协同降低工作温度。

结论与意义
该研究通过MOF模板法构建了具有分子筛效应的多孔纳米材料，首次实现Co₃
O₄
基传感器在近室温下的高选择性氨气检测。其1 ppm的检测限可满足医疗诊断需求，而60℃的工作温度显著降低能耗。DFT模拟进一步阐明Co-N₂
位点对氧活化的促进作用，为设计新型敏感材料提供了理论依据。这项技术有望应用于工业安全监测与便携式医疗设备，推动MOS传感器向低温化、智能化发展。