新型双层V2 O5 纳米片通过钒酰氧空位实现室温高选择性NO2 传感

本研究针对气体传感器选择性差的难题，通过化学剥离法合成具有钒酰氧空位(OI )缺陷的新型双层V2 O5 纳米片，首次实现室温下对NO2 的高选择性检测（响应值0.4%，50 ppm）。XPS和拉曼光谱证实OI 空位增强表面活性，突破传统V2 O5 需100℃以上工作的限制，为环境监测提供新策略。

　　

在环境监测和工业安全领域，氮氧化物(NO_x
)尤其是二氧化氮(NO₂
)的检测至关重要。这种强氧化性气体不仅是光化学烟雾的主要成分，长期暴露还会引发呼吸道炎症甚至癌症。然而现有传感器普遍面临两大瓶颈：一是多数金属氧化物如V₂
O₅
需在100℃以上工作，能耗高且难以便携化；二是材料对多种气体交叉响应导致选择性差。传统解决方案如异质结构建或贵金属掺杂虽能提升性能，却增加了制备复杂度。

针对这些挑战，研究人员创新性地采用化学剥离法制备出具有本征钒酰氧空位(O_I
)的双层V₂
O₅
纳米片。通过原子力显微镜(AFM)确认材料厚度为1.0-1.5 nm，X射线光电子能谱(XPS)检测到17%的V⁴⁺
态证实氧缺陷存在。拉曼光谱中615 cm^-1
的表面模式和1010 cm^-1
处Fano型不对称展宽，均指向O_I
空位导致的局域对称性破缺。光致发光谱则发现2.9-1.86 eV范围内的缺陷能级发射。

关键实验技术
研究采用化学剥离法（以甲酰胺为剥离剂）制备二维V₂
O₅
，通过AFM、像差校正STEM表征形貌，结合XPS、拉曼光谱和光致发光光谱分析缺陷结构。气体传感测试使用自制系统，在室温和50℃下检测NO₂
、CH₄
和H₂
的响应。

研究结果

1. 材料特性：AFM显示纳米片主要为双层结构（1.0-1.5 nm），STEM确认α-V₂
   O₅
   的VO₅
   四方锥体排列。XPS中V⁴⁺
   /V⁵⁺
   双峰和拉曼表面模式共同验证O_I
   空位的形成机制——层间范德华力断裂导致钒酰氧脱离。

2. 缺陷调控机制：紫外可见吸收谱测得3.55 eV直接带隙，而光致发光谱中多个亚带隙发射峰证实缺陷态富集。理论分析指出O_I
   空位作为吸附位点可降低NO₂
   的活化能。

3. 传感性能：室温下对50 ppm NO₂
   的响应达0.4%（传统V₂
   O₅
   纳米颗粒在室温无响应），50℃时升至2.3%。独特的是，室温呈现n型响应（电阻增加），50℃转为p型行为，源于德拜长度(L_D
   )随温度增大导致载流子完全耗尽。对CH₄
   和H₂
   的交叉响应可忽略，归因于NO₂
   孤对电子与O_I
   空位的特异性结合。

结论与意义
该研究首次揭示二维V₂
O₅
通过本征O_I
空位实现室温NO₂
检测的机制，突破传统传感材料的工作温度限制。其创新性体现在：（1）化学剥离法同步构建活性缺陷，避免后处理改性；（2）阐明温度依赖的n-p响应转换与德拜长度的关联；（3）为开发低功耗、高选择性气体传感器提供新思路。论文发表于《Talanta Open》，为环境监测和呼吸健康防护领域带来重要技术突破。