双金属In2O3/Co3O4多孔纳米棒的可控合成及其在糖尿病呼气标志物丙酮快速检测中的应用

【编辑推荐】针对糖尿病无创诊断中呼气丙酮检测的灵敏度与响应速度瓶颈，研究人员通过水热法构建了In2O3/Co3O4异质结纳米棒。优化后的3-ICO传感器在250℃下对10 ppm丙酮响应值达125.6，响应/恢复时间仅45 s/19 s，其性能提升源于p-n异质结增强的电荷转移与氧空位协同效应，为便携式糖尿病监测设备开发提供新策略。

　　

糖尿病已成为全球健康危机，预计到2045年患者将达6.93亿。呼气丙酮作为糖尿病关键生物标志物，其浓度在健康人与患者中存在显著差异（<1 ppm vs >1.8 ppm），但现有金属氧化物半导体(MOS)传感器存在响应值低、动力学缓慢等瓶颈。云南大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表研究，通过异质结工程策略设计出高性能丙酮气体传感器。

研究采用水热法合成In/Co摩尔比可调的In₂O₃/Co₃O₄纳米棒，结合材料表征与密度泛函理论(DFT)计算揭示性能增强机制。主要技术包括：X射线衍射(XRD)分析晶体结构、扫描电镜(SEM)观察形貌、比表面积测试(BET)以及基于DFT的电子结构模拟。

【结构表征】XRD证实成功构建Co₃O₄(JCPDS 43-1003)与In₂O₃(JCPDS 06-0416)异质结，SEM显示材料呈现独特多孔纳米棒形貌。

【性能优化】当In:Co=3:10时，3-ICO传感器展现最佳性能：对10 ppm丙酮响应值达125.6（纯Co₃O₄的8.5倍），响应/恢复时间较文献报道缩短6-30倍，且具备优异选择性（乙醇/甲醇干扰比<0.2）和30天稳定性（波动<5%）。

【机制阐释】DFT计算表明：①异质结界面电荷转移使吸附能提升2.3倍；②氧空位浓度增加促进丙酮解离；③多孔结构提供更多活性位点。三者协同实现"响应增强-动力学加速"双重突破。

该研究突破传统MOS材料性能极限，首次实现p型Co₃O₄基传感器对丙酮的百级响应值与秒级响应速度，其异质结工程策略为开发新一代便携式糖尿病监测设备奠定基础。云南大学团队通过跨尺度研究（从原子级DFT模拟到宏观传感性能）建立了材料设计-性能调控-机理阐释的完整研究范式，相关成果已申请中国发明专利保护。