银修饰β-Ga2O3纳米棒增强乙烯气体传感性能的实验与DFT计算研究

推荐：本研究针对果蔬保鲜中低浓度乙烯(C2H4)实时监测难题，通过水热法合成Ag修饰β-Ga2O3纳米棒传感器。1.0 mol% Ag修饰样品在140℃下响应值达3.18，检测限低至1.3 ppm，结合DFT计算揭示了Ag的电子敏化机制，为农业食品质量控制提供了新型传感解决方案。

　　

【研究背景】
乙烯作为"植物激素"，在0.1-5 ppm浓度即可触发果蔬不可逆成熟，全球每年因此造成的采后损失高达30%。传统气相色谱法虽精确但笨重昂贵，而半导体金属氧化物(SMO)传感器虽便携却面临灵敏度不足的瓶颈。β-Ga₂O₃作为宽禁带半导体，虽对CO、NH₃等气体有响应，但纯相材料对乙烯的检测性能远未达实用要求。更棘手的是，现有贵金属修饰（如Au、Pt）的β-Ga₂O₃传感器多针对CO检测，尚未见Ag修饰体系的研究报道。

南非的研究团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表的研究，首次将Ag纳米颗粒引入β-Ga₂O₃纳米棒体系，通过实验与密度泛函理论(DFT)计算的结合，不仅实现了乙烯检测性能的突破性提升，更从电子结构层面揭示了Ag的敏化机制。这项研究为开发低成本、高灵敏的果蔬储运监测设备提供了新思路。

【关键技术】
研究采用微波辅助水热法合成β-Ga₂O₃及Ag修饰样品（0.5-1.5 mol%），通过XRD、SEM/TEM、XPS和BET进行材料表征。气体传感测试在KSGAS6S系统完成，采用ΔR/R_g计算响应值。DFT计算使用Materials Studio软件，建立Ga₂O₃(111)和Ag(111)表面模型，通过PW91泛函计算吸附能和电子结构。

【研究结果】
3.1 结构表征
XRD证实成功制备单斜晶系β-Ga₂O₃（JCPDS 76-0573）和面心立方Ag（JCPDS 04-0783）。SEM显示纳米棒直径随Ag含量增加至1.0%时达750 nm，但1.5%样品因Ag团聚降至430 nm。HRTEM观察到0.289 nm（β-Ga₂O₃的(202)面）和0.234 nm（Ag的(111)面）晶格条纹。BET测试表明1.0%Ag样品具有最大比表面积（34 m²/g）和孔径（39.6 nm）。

3.2 表面化学状态
XPS显示Ag 3d_5/2在367.5 eV（Ag⁺）和368.8 eV（Ag⁰）的双峰，1.0%Ag样品中金属态占比最高（55%）。O 1s谱显示化学吸附氧(O_C

3.3 传感性能
1.0%Ag传感器在140℃对90 ppm乙烯响应达3.18（纯相仅0.2），检测限1.3 ppm，响应/恢复时间37/46秒。Arrhenius曲线显示活化能从1.28 eV降至0.86 eV。湿度测试表明90%RH下响应衰减64%，但稳定性测试30天内响应波动<9.4%。DFT计算证实Ag 4d与O 2p轨道杂化（-3.91 eV处新峰），使乙烯吸附能达-2.96 eV。

【结论与意义】
该研究通过精准控制Ag修饰浓度（1.0 mol%），实现了β-Ga₂O₃纳米棒对乙烯的增强检测，其性能提升源于三重机制：① Ag催化增加化学吸附氧；② 形成扩展电子耗尽层；③ 表面Ag⁰促进乙烯吸附。DFT计算首次从电子结构角度阐明Ag的敏化作用，为理性设计农业用气体传感器提供了理论依据。相比现有Pd-SnO₂等体系，该传感器在低温操作（140℃）和快速响应（<1分钟）方面具有显著优势，对减少全球果蔬采后损失具有重要应用价值。