Pd-AuNR@ZnO核壳纳米棒形貌调控对氢气传感性能的增强机制研究

针对传统ZnO基氢气传感器工作温度高、选择性差的问题，韩国全北国立大学Yeon-Tae Yu团队通过水热法制备了具有纳米棒状Pd-Au合金核的Pd-AuNR@ZnO核壳结构，在250℃下对100 ppm氢气响应值达105，响应/恢复时间缩短，并实现150℃低温检测1 ppm氢气，其性能提升源于核形貌效应、电子敏化与氢吸附协同作用。

　　

研究背景
氢气作为未来清洁能源载体，其易燃易爆特性（4.6%-75%爆炸极限）对泄漏检测提出严峻挑战。目前金属氧化物半导体（MOS）传感器虽成本低廉，但普遍存在工作温度高（>300℃）、交叉敏感等问题。ZnO作为典型n型半导体，虽具有高电子迁移率（200 cm²/V·s）和丰富形貌，但其纯相材料对氢气响应值不足13（350℃时）。传统Pd修饰策略又面临高温氧化/团聚难题，而Pd-Au合金化可提升抗氧化性但球形核（Pd-Au_NS@ZnO）仍需300℃工作温度。

研究方法
韩国全北国立大学团队采用分步水热法：先制备PVP保护的Pd纳米棒（40-45×10-12 nm），通过Au³⁺原位还原获得3 nm Au壳层的Pd@Au核壳纳米棒（CS-NR），再包覆Zn(OH)₂后经500℃煅烧转化为Pd-Au_NR@ZnO。通过TEM、XRD、XPS表征形貌与组分，对比测试纯ZnO、Au_NR@ZnO和Pd-Au_NR@ZnO传感器在150-350℃对1-100 ppm氢气的响应特性。

研究结果
1. 材料表征
煅烧后Pd@Au核发生合金化形成直径12-14 nm的纳米棒状Pd-Au核，ZnO壳层呈现多孔结构（图1f）。XPS证实Pd⁰/Pd²⁺和Au⁰共存，且Pd 3d_5/2结合能向低能偏移0.8 eV，表明电子从Au向Pd转移。

2. 传感性能
Pd-Au_NR@ZnO在250℃对100 ppm氢气响应值（R_a/R_g=105）是Au_NR@ZnO（52）的2倍、纯ZnO（13）的8倍。响应/恢复时间分别缩短至18 s/25 s（图3c），且150℃下仍能检测1 ppm氢气（响应值9.5）。选择性测试显示其对乙醛、乙醇等干扰气体的响应比<5%。

3. 机理分析
纳米棒状Pd-Au核提供连续电子传输通道，合金化降低Pd-H键强度促进氢解吸。DRIFT光谱证实煅烧后表面羟基减少，加速气敏反应：H₂+O^2-→H₂O+e^-。

结论与意义
该研究通过核形貌调控创新性解决了MOS传感器低温检测与选择性难以兼顾的瓶颈，纳米棒状Pd-Au核的协同效应（电子转移、氢溢流、抗烧结）使工作温度降低50℃的同时灵敏度提升8倍，为燃料电池系统泄漏监测提供了新材料设计范式。论文发表于《Sensors and Actuators B: Chemical》，通讯作者Yeon-Tae Yu指出该策略可拓展至其他贵金属-氧化物体系。第一作者Tuong Van Tran（2025年博士毕业）强调核壳界面工程是未来优化方向。