氧缺陷富集In2O3薄膜传感器的原位可控组装及其低功耗高效检测Cl2的研究

为解决Cl2气体检测中工作温度高、响应低的问题，黑龙江大学团队通过水热法原位生长MIL-68(In)纳米薄膜，经煅烧获得氧缺陷富集的In2O3敏感材料。该传感器在50oC下对5 ppm Cl2响应达14.1，最低检测限100 ppb，兼具低功耗与高灵敏度，为环境监测和工业泄漏检测提供了新方案。

　　

氯气（Cl₂）作为工业原料广泛应用于农药、消毒剂生产，但其毒性极强，30 ppm即可引发呼吸系统损伤，且是臭氧层破坏的主要物质。现有金属氧化物半导体传感器（如ZnO、SnO₂）需在160-300^oC高温下工作，能耗高且响应低。黑龙江大学团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表研究，通过水热法在陶瓷管上原位生长MIL-68(In)纳米颗粒薄膜，煅烧后获得富含氧空位的In₂O₃材料，实现了50^oC低温下对Cl₂的高效检测，为低功耗气体传感器开发提供了新思路。

研究采用水热合成结合煅烧技术（400-550^oC），通过X射线衍射（XRD）、紫外可见光谱（UV-Vis）和光致发光谱（PL）表征材料特性，结合密度泛函理论（DFT）计算验证氧缺陷对传感性能的影响。

结构表征：XRD显示500^oC煅烧的In₂O₃-500为立方晶相，扫描电镜（SEM）证实其多孔纳米球结构，比表面积达89.6 m²/g，利于气体吸附。
光电性能：UV-Vis和PL证明In₂O₃-500具有最多氧缺陷，禁带宽度降至2.8 eV，显著提升电子转移效率。
传感测试：传感器对5 ppm Cl₂的响应达14.1（50^oC），响应/恢复时间100 s/56 s，且对100 ppb极低浓度仍具检测能力。
机理分析：DFT计算表明氧缺陷促进Cl₂吸附，形成Cl-O化学键，电荷转移量达0.39 e，与实验数据高度吻合。

该研究通过缺陷工程和原位薄膜技术，突破传统传感器的高温限制，为环境安全监测提供了高灵敏度、低能耗的解决方案。其结合实验与理论计算的方法，为新型气敏材料设计提供了范式。