钙铝共掺杂ZnO纳米结构的合成及其形貌依赖性CO2气敏性能研究

为应对气候变化对CO2监测的迫切需求，研究人员通过溶胶-凝胶法合成钙铝共掺杂ZnO纳米线（NWs），显著提升了CO2传感器的灵敏度和选择性。该材料在300℃下对5,000 ppm CO2响应值达9.56，检测限低至6.65 ppm，且电导率改善，为开发中温高效气体传感器提供了新思路。

　　

随着工业革命以来大气CO₂浓度持续攀升，开发高效气体传感器成为应对气候变化的关键。传统ZnO基传感器虽成本低廉但存在工作温度高、选择性差等瓶颈，尤其对CO₂的检测性能亟待突破。韩国工业技术研究院（KITECH）的Yijun Yang团队创新性地采用钙铝共掺杂策略，通过调控ZnO纳米结构形貌，成功研制出兼具高灵敏度和低工作温度的CO₂传感器。

研究采用溶胶-凝胶法合成纳米颗粒（NPs）、纳米棒（NRs）和纳米线（NWs）三种形貌的钙铝共掺杂ZnO材料。通过X射线衍射（XRD）证实掺杂后仍保持六方纤锌矿结构，扫描电镜显示NWs具有最大比表面积。气敏测试系统在1,000-5,000 ppm CO₂浓度范围和300℃条件下评估性能。

结构表征
XRD谱显示所有样品均呈现标准ZnO衍射峰，钙铝掺杂未改变晶体结构但引起晶格畸变。NWs的（002）晶面择优取向表明一维生长优势。

气敏性能
NWs对5,000 ppm CO₂的响应值达9.56，较未掺杂ZnO提升19.5倍。检测限6.65 ppm优于多数报道材料。50次循环测试的变异系数仅1.05%，展现优异稳定性。

机理分析
钙增强CO₂吸附而铝降低电阻，协同作用突破纯Ca-ZnO需400℃以上工作的限制。NWs的高比表面积促进气体扩散和表面反应动力学。

该研究通过形貌调控与双元素掺杂的协同设计，为开发新一代温室气体传感器提供重要参考。论文发表于《Sensors and Actuators B: Chemical》，其创新性体现在：首次阐明钙铝共掺杂对ZnO电导率与气敏性能的平衡作用；建立纳米线形貌-性能关联规律；推动化学电阻型传感器向低功耗、高精度方向发展。未来可进一步探索掺杂比例优化及柔性器件集成应用。