ZIF-67衍生NiCo-LDHs/g-C3N4中空纳米笼复合材料高效检测NO2及其在气候智慧农业中的应用

针对传统层状双氢氧化物（LDHs）基传感器灵敏度低、响应慢的瓶颈，黑龙江大学团队通过湿化学法构建ZIF-67模板衍生的NiCo-LDHs/g-C3N4（NCG）中空纳米笼复合材料。优化后的NCG-2传感器对100 ppm NO2响应值达65.49，响应时间仅1.6秒，检测限低至10 ppb，其多孔结构、氧缺陷和n-n异质结协同提升了传感性能，为气候智慧农业（CSA）中NOx监测提供了新策略。

　　

随着农业温室气体排放加剧全球气候变化，氮氧化物（NO_x）引发的土壤酸化、作物凋萎等问题严重威胁粮食安全。联合国粮农组织（FAO）提出的气候智慧农业（CSA）亟需高效NO_x监测技术。然而，传统层状双氢氧化物（Layered Double Hydroxides, LDHs）传感器因颗粒团聚、活性位点不足导致灵敏度低、响应迟缓。如何突破材料结构限制，实现室温下高灵敏、快速NO₂检测，成为农业环境监测领域的重大挑战。

黑龙江大学研究团队创新性地以金属有机框架ZIF-67为模板，通过湿化学法构建了多孔海绵状g-C₃N₄修饰的镍钴LDHs中空纳米笼（NCG）复合材料。该研究发表于《Sensors and Actuators B: Chemical》，揭示了NCG-2复合材料在15 wt% g-C₃N₄负载量下，对NO₂的响应值达到传统LDHs传感器的9倍，且能在室温下实现秒级响应，为农业环境气体监测提供了突破性解决方案。

关键技术方法
研究采用三步法：1）通过超分子预组织法制备多孔海绵状g-C₃N₄；2）以ZIF-67为模板，经乙醇分散和离子交换反应生成NiCo-LDHs中空纳米笼；3）超声辅助湿化学法将g-C₃N₄与NiCo-LDHs复合，构建n-n型异质结。材料表征涉及X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和透射电镜（TEM），气敏测试采用静态配气系统。

研究结果

形貌与结构表征
XRD证实NCG-2成功整合了NiCo-LDHs的（003）晶面特征峰和g-C₃N₄的（002）层间堆积峰。TEM显示ZIF-67衍生的中空纳米笼结构有效防止了LDHs团聚，比表面积达217.6 m²/g。XPS分析发现NCG-2的缺陷氧含量比纯LDHs提高42%，为气体吸附提供更多活性位点。

气敏性能优化
在15 wt% g-C₃N₄负载量下，NCG-2对100 ppm NO₂的响应值达65.49，是纯NiCo-LDHs的6.2倍。其1.6秒的响应速度归因于中空结构加速气体扩散，而10 ppb的检测限突破了农业现场监测需求。选择性测试表明，NCG-2对NO₂的选择性系数（相对于NH₃）高达8.7。

机理分析
DFT计算表明，g-C₃N₄的π共轭体系显著提升电子迁移率（载流子浓度增加3个数量级）。原位红外光谱证实NO₂在氧缺陷位点优先吸附形成NO₃^-，而n-n异质结使界面电荷转移效率提升280%。

结论与意义
该研究通过MOFs模板工程和异质结调控，解决了LDHs基材料在气体传感领域的核心痛点。NCG-2传感器在室温下实现ppb级NO₂检测，其性能指标满足FAO对气候智慧农业的实时监测需求。这项工作不仅为农业温室气体监测提供了新材料范式，更开辟了MOFs衍生材料在环境传感领域的新应用场景。作者Jingyang Xie等强调，该策略可扩展至其他LDHs体系，为开发低成本、高性能农业传感器指明方向。