氧化锌-氧化镍-氧化铜三元纳米复合薄膜在氨气传感中的应用研究

为解决传统氨气传感器选择性差、灵敏度低及需高温工作等问题，研究人员采用喷雾热解法成功制备了ZnO-NiO-CuO三元纳米复合薄膜（ZNCO-2），通过调控NiO和CuO摩尔浓度优化材料性能。研究证实，ZNCO-2在室温下对5 ppm氨气表现出优异传感性能，响应/恢复时间仅59 s/66 s，其多孔结构和均匀纳米颗粒分布显著提升气体吸附能力。该成果为开发低成本、高灵敏室温氨气传感器提供了新思路，发表于《Sensors International》。

　　

氨气（NH₃）作为工业生产和农业活动中的常见污染物，对人体呼吸系统、眼睛及肾脏具有严重危害。尽管现有检测技术如红外吸收法和电化学传感器已广泛应用，但其高昂成本、复杂设计及高温工作需求限制了实际应用。金属氧化物半导体传感器虽成本低廉，但普遍存在选择性差、灵敏度不足等问题。如何开发能在室温下高效检测低浓度氨气的材料，成为环境监测领域的迫切需求。

针对这一挑战，来自中国的研究团队通过喷雾热解法（spray pyrolysis）制备了ZnO-NiO-CuO三元纳米复合薄膜，系统研究了不同NiO和CuO配比对材料结构和传感性能的影响。研究发现，当ZnO:NiO:CuO摩尔比为50:30:20（ZNCO-2）时，材料展现出最佳性能：在室温下对5 ppm氨气的响应值显著高于其他干扰气体（如丙酮、甲醇等），且响应/恢复时间分别缩短至59秒和66秒。这项工作为开发新一代便携式氨气传感器提供了重要理论依据和技术支撑，相关成果发表于《Sensors International》。

研究团队采用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、场发射扫描电镜（FESEM）和X射线光电子能谱（XPS）等技术对材料进行表征。通过静态气体测试系统结合高阻计（Keithley-6517B）评估传感性能，重点分析了材料微观结构与气体响应机制的关系。

3.1 X射线衍射
XRD分析证实薄膜由六方晶系ZnO、立方晶系NiO和单斜晶系CuO组成，无杂质相。Scherrer公式计算显示ZNCO-2晶粒尺寸为9.40 nm，位错密度0.82×10¹⁶/m²，微观应变0.004475，这种纳米级晶粒结构有利于气体吸附。

3.2 拉曼光谱
在450-600 cm^-1和900-1150 cm^-1区间出现特征峰，其中358 cm^-1峰源自CuO（345 cm^-1）与ZnO（393 cm^-1）的耦合振动，证实三元氧化物成功复合。

3.3 场发射扫描电镜
FESEM显示ZNCO-2表面呈多孔球形纳米结构，颗粒分布均匀，粗糙度较高。这种形貌提供了大量活性位点，促进氨气分子与吸附氧（O^2-、O^-）的氧化还原反应。

3.4 透射电镜
TEM观察到8-10 nm的纳米颗粒聚集体，选区电子衍射（SAED）呈现多晶环状图案，与XRD结果一致。

3.5 X射线光电子能谱
XPS证实Zn 2p_3/2（1018.66 eV）、Ni 2p_3/2（851.02 eV）和Cu 2p_3/2（929.73 eV）的特征峰，O1s谱中晶格氧（526.24 eV）与吸附氧（527.78 eV）的比例优化，增强了表面反应活性。

3.6 气敏性能研究
ZNCO-2对5 ppm氨气的响应值达15-35倍于其他气体，且在5-55 ppm范围内呈线性响应。机理研究表明，氨气与吸附氧反应释放电子（4NH₃+3O^2-→6H₂O+2N₂+3e^-），导致p型半导体空穴浓度降低，电阻增大。

这项研究通过精准调控三元氧化物组分，成功实现了室温下高选择性氨气检测。相比传统单一金属氧化物传感器，ZNCO-2的快速响应特性（59 s）和低检测限（5 ppm）使其在工业安全监测、农业环境污染预警等领域具有广阔应用前景。该工作不仅为混合金属氧化物传感器的设计提供了新范式，也为解决室温气体传感材料的关键技术难题开辟了路径。