钆掺杂四氧化三钴晶格应变与氧空位协同效应实现室温高效NO2传感

针对金属氧化物半导体(MOS)基NO2传感器工作温度高、响应不足的难题，印度SRM科学技术研究院团队通过钆(Gd)掺杂策略调控Co3O4的晶格应变与氧空位浓度，成功开发出室温下响应值达50%（50 ppm）、检测限低至5000 ppb的传感器，其7个月稳定性与Lewis酸碱对作用机制为开发高性能低温气体传感器提供新范式。

　　

氮氧化物(NO_x)污染已成为威胁人类健康与环境安全的重大挑战，其中二氧化氮(NO₂)作为典型代表，不仅会引发呼吸系统疾病，更是酸雨和光化学烟雾的主要成因。尽管金属氧化物半导体(MOS)气体传感器因其成本低、易集成等优势被广泛研究，但传统Co₃O₄基传感器需在高温下工作，极大限制了实际应用。这一矛盾促使研究者探索通过稀土元素掺杂来突破材料性能瓶颈——钆(Gd)因其独特的4f⁷5d¹电子构型与强Lewis酸性，成为调控Co₃O₄表面化学反应的理想选择。

印度SRM科学技术研究院的Pavithra Murugesh团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表的研究中，采用水热法合成1-5 at% Gd掺杂Co₃O₄纳米材料，通过X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征晶格畸变与氧空位浓度，结合电化学测试分析能带弯曲程度，系统探究了材料微结构变化与NO₂传感性能的构效关系。

关键实验方法
研究采用CTAB辅助水热法制备Gd-Co₃O₄纳米材料，通过XRD精修计算位错密度与晶粒尺寸，XPS定量分析氧空位浓度，UV-Vis漫反射测定带隙变化，并搭建标准气敏测试系统评估传感器性能。

研究结果

1. 材料表征：XRD证实Gd³⁺掺杂引起晶格膨胀（2θ偏移0.3°），位错密度提升3倍至1.7×10¹⁵ m^-2，氧空位浓度增加42%；XPS显示O_1s谱中Vo峰面积占比达31.8%。
2. 传感性能：1 at% Gd-Co₃O₄在30℃下对50 ppm NO₂响应值达50%，较纯Co₃O₄提升8倍，响应/恢复时间缩短至78/142秒。
3. 机理分析：能带弯曲量增加至0.036 eV促进表面电荷转移，Lewis酸碱对理论揭示Gd³⁺与NO₂的强电子相互作用是选择性提升的关键。

结论与意义
该研究首次阐明Gd掺杂通过协同产生晶格应变、氧空位和能带重构的三重效应，使Co₃O₄的NO₂传感温度从传统200℃以上降至室温。其提出的"大半径稀土掺杂-晶格畸变-缺陷工程"策略为开发新一代低功耗气体传感器提供普适性方案，对实现环境污染物实时监测具有重要应用价值。