金属有机框架衍生的Ce掺杂ZnO纳米片对正辛醇的气敏性能提升机制研究

为解决传统ZnO半导体材料在挥发性有机化合物(VOC)检测中灵敏度低、选择性差等问题，哈尔滨师范大学团队通过金属有机框架(MOFs)模板法构建Ce掺杂ZnO纳米片(CeO2-ZnO)，实现对正辛醇(n-octanol)的高效检测。该材料在498 K下对50 ppm正辛醇响应值达679，检测限低至500 ppb，其性能提升源于Ce3??/Ce????氧化还原循环、氧空位调控及n-n异质结协同作用，为生物标志物检测提供新策略。

　　

在食品添加剂、药品生产和微生物代谢监测领域，正辛醇(n-octanol)作为一种关键挥发性有机化合物(VOC)，既是工业原料又是脂质代谢紊乱的生物标志物。传统气相色谱-质谱(GC-MS)检测方法存在设备笨重、成本高昂的缺陷，而半导体金属氧化物(SMO)传感器虽具便携优势，却受限于ZnO材料的低响应速度和交叉敏感性。这一矛盾在霉菌污染监测等实时场景中尤为突出——当黑曲霉(Aspergillus niger)生长时，正辛醇可占释放挥发物的51-81%，亟需开发高性能传感器。

哈尔滨师范大学的研究团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表研究，创新性地采用菱形非孔性二氮唑框架DIA(Zn)作为牺牲模板，通过热解法制备不同Ce/Zn摩尔比的CeO₂-ZnO纳米片。该工作突破性地将稀土元素Ce的独特价态变化与MOFs的结构优势相结合，解决了传统掺杂材料晶格失配和活性位点不足的难题。

关键技术包括：1) 以DIA(ZnCe_x)为前驱体的可控热解工艺；2) X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)表征材料结构；3) 气敏测试系统评估不同温度、湿度条件下对正辛醇的响应特性。

结构表征
XRD证实Ce掺杂未改变DIA(Zn)的晶体结构，FT-IR显示1560 cm^-1处C=N振动峰保留，而424 cm^-1的Zn-N键证明框架完整性。电镜观察发现纳米片呈现分级多孔结构，比表面积达89.6 m²/g，为气体扩散提供通道。

气敏性能
最优组分0.0257-CeO₂-ZnO在498 K时对50 ppm正辛醇响应值达679，较纯ZnO提升12倍。其检测限突破至500 ppb，且在65%相对湿度下偏差<10%。选择性实验显示对甲醇、异丙醇等干扰物的交叉响应率<5%。

机理分析
Ce3??(1.01 ?)与Zn2??(0.74 ?)的半径差异促使氧空位形成，XPS证实氧空位浓度提升3.8倍。Ce????/Ce3??循环加速表面氧吸附，差示扫描量热法(DSC)显示正辛醇氧化活化能降低28%。能带分析表明Ce掺杂使ZnO带隙从3.37 eV降至3.12 eV，促进电子转移。

该研究通过MOFs模板法精准调控Ce活性位点分布，建立"氧空位-异质结-催化位点"三重增强机制。不仅实现正辛醇的高灵敏检测，更为设计针对特定VOC的传感器提供普适性策略——通过稀土元素价态调控与纳米结构协同优化，可定向开发其他生物标志物检测材料。这项工作推动SMO传感器从经验探索向理性设计的转变，在食品质量监控、早期疾病诊断等领域具有应用前景。