γ射线辐照诱导V2 O5 薄膜表面改性及其氢气和湿度传感性能的增强研究

本研究针对氢能源应用中易燃易爆的安全隐患，通过γ射线辐照（0.1-50 kGy）改性水热法制备的V2 O5 薄膜，显著提升其氢气和湿度传感性能。50 kGy辐照样品在100 ppm H2 和100°C条件下灵敏度提升66%，响应/恢复时间缩短，为氢能安全监测提供新型材料解决方案。

　　

氢能作为清洁能源的代表，其高易燃性（4-75 vol%爆炸范围）和不可察觉的泄漏特性成为安全应用的重大挑战。传统气体传感器在低浓度氢气和复杂环境下的性能不足，促使研究者探索新型敏感材料。五氧化二钒（V₂
O₅
）因其优异的氧化还原特性和半导体性质备受关注，但如何进一步提升其传感性能仍是关键科学问题。

为解决这一难题，国内研究人员通过水热法合成V₂
O₅
纳米棒，并采用钴-60源γ射线进行梯度剂量辐照（0.1/10/50 kGy），系统研究辐照对材料结构-性能关系的影响。研究发现50 kGy辐照使薄膜表面粗糙度显著增加，晶粒尺寸减小至8.36 nm，在100 ppm氢气和100°C工作条件下实现66%的灵敏度提升，响应/恢复时间分别缩短至18秒和25秒，同时湿度传感滞后效应降低至1.27%。该成果发表于《Applied Surface Science》，为氢能安全监测器件开发提供了新思路。

关键技术方法包括：1）水热法制备V₂
O₅
纳米棒；2）旋涂法制备薄膜；3）γ射线梯度剂量辐照（0.1-50 kGy）；4）X射线衍射（XRD）和场发射扫描电镜（FE-SEM）表征晶体结构与形貌；5）X射线光电子能谱（XPS）分析元素价态；6）原子力显微镜（AFM）测定表面粗糙度；7）定制化气体传感测试系统。

【X射线衍射分析】
XRD图谱显示所有样品均保持正交晶系结构（α相），50 kGy辐照使（001）晶面衍射峰半高宽增大，根据Scherrer公式计算晶粒尺寸从原始样品的15.2 nm减小至8.36 nm，表明高剂量辐照诱导晶格缺陷形成。

【表面形貌表征】
FE-SEM显示原始样品呈纳米棒状结构（平均直径80 nm），50 kGy辐照后颗粒尺寸增大至111.74 nm且出现表面熔融现象。AFM三维形貌图显示辐照样品表面均方根粗糙度（RMS）从2.1 nm提升至6.8 nm，增加气体吸附活性位点。

【X射线光电子能谱】
V 2p_3/2
结合能在516.3 eV处证实V⁵⁺
主导价态，辐照后O 1s谱中晶格氧（530.1 eV）与氧空位（531.5 eV）比例从3.2:1变为2.7:1，证实辐照诱导氧缺陷形成。

【气体传感机制】
辐照产生的氧空位作为电子给体，促进H₂
分子在V₂
O₅
表面解离为H⁺
和e^-
，电子注入导带使n型半导体电阻降低。50 kGy样品在100°C时对100 ppm H₂
的响应值（R_a
/R_g
）达34.7，较原始样品（20.9）提升66%，归因于缺陷工程优化的表面活性。

该研究通过γ射线精确调控V₂
O₅
薄膜的缺陷密度与表面形貌，首次系统阐明了辐照剂量-微观结构-传感性能的构效关系。50 kGy辐照样品展现的快速响应（18秒）、低功耗（100°C工作温度）和抗湿特性（1.27%滞后），使其在氢燃料汽车、核电站等复杂环境监测中具有应用潜力。这项工作为发展新一代智能气体传感器提供了可工程化的材料改性策略。