Nb2O5@BiVO4 p-n异质结表面修饰与带隙调控增强三乙胺气敏性能研究

针对工业环境中三乙胺(TEA)的高效检测需求，上海海事大学团队通过水热法构建了Nb2O5修饰BiVO4(010)晶面的p-n异质结传感器。优化后的10 mol% Nb2O5@BiVO4在280°C下对100 ppm TEA响应值达23.9，检测限低至15.06 ppb，兼具快速响应(24 s)和优异选择性，其性能提升源于异质结界面的电荷分离效应与能带调控策略。该研究为环境监测和食品安全领域的气体传感器设计提供了新思路。

　　

三乙胺(TEA)作为工业中广泛使用的挥发性有机物，在制药、防腐和水产品保鲜等领域不可或缺，但其对呼吸系统和神经系统的毒性不容忽视。长期暴露于超过100 ppm的TEA环境中可能引发肺病甚至致命，而微量TEA又是海鲜腐败的标志物。当前基于金属氧化物的气体传感器面临灵敏度不足、选择性差等挑战，特别是纯相BiVO₄因电子-空穴复合率高导致性能受限。

上海海事大学材料科学与工程学院团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表研究，通过水热法合成(010)晶面暴露的单斜晶BiVO₄，并负载p型Nb₂O₅纳米颗粒构建异质结。采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)和X射线光电子能谱(XPS)表征材料结构，通过气敏测试系统评估性能。

主要技术方法
研究通过氯离子调控BiVO₄形貌的水热合成法，结合煅烧处理制备Nb₂O₅纳米颗粒。利用紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)分析带隙变化，通过电化学阻抗谱(EIS)验证电荷转移效率提升。气敏测试在定制化系统中进行，使用动态配气法控制TEA浓度。

研究结果
形貌与化学表征
FESEM显示BiVO₄呈方形片状结构，Nb₂O₅均匀分布在(010)晶面。XPS证实Nb⁵⁺与V⁵⁺的化学态存在，异质结界面形成氧空位。UV-Vis显示复合材料带隙从2.4 eV(BiVO₄)降至2.1 eV，增强可见光响应。

气敏性能
10 mol% Nb₂O₅@BiVO₄在280°C展现最佳性能：对100 ppm TEA的响应值(R_a/R_g)达23.9，较纯BiVO₄提升8倍；检测限15.06 ppb创同类传感器新低。选择性测试表明对乙醇、丙酮等干扰物的响应比均低于0.3。

增强机制
p-n异质结形成内建电场促进电荷分离，Nb₂O₅提供额外气体吸附位点。能带匹配分析显示异质结使导带位置下移0.3 eV，加速电子转移。氧空位作为活性中心促进TEA氧化反应。

结论与意义
该工作通过晶面工程与异质结协同策略，实现了TEA传感器性能的突破性提升。15.06 ppb的检测限满足工业卫生标准，24秒的快速响应可用于实时监测。研究不仅为环境毒物检测提供新材料，其表面修饰与能带调控方法对开发其他半导体传感器具有普适性指导价值。张伟郭、孙世斌等作者强调，这种基于晶面选择性修饰的设计思路可拓展至甲醛、硫化氢等有害气体的检测领域。