电纺ZnO/CoMoO4/ZnCo2O4复合纳米纤维实现亚ppm级正丁醇高选择性传感

针对室内环境中普遍存在的正丁醇（n-butanol）痕量检测难题，密歇根理工大学团队通过电纺技术构建Mo掺杂的ZnO/CoMoO4/ZnCo2O4复合纳米纤维，利用p-n异质结和氧空位协同效应，实现了250 ppb级检测极限的高选择性传感，为VOCs监测提供了新型p型半导体解决方案。

　　

在日常生活和工业环境中，挥发性有机化合物（VOCs）如同隐形杀手般潜伏——从装修涂料中的溶剂到化妆品添加剂，其中正丁醇（n-butanol）因其广泛存在性尤为典型。德国环境署数据显示，75-90%的室内空气样本均检出该物质，而仅0.8 ppm的浓度就能被人体嗅觉捕捉。更严峻的是，长期暴露于20 ppm以下的"安全阈值"仍可能导致头晕、皮炎等健康损害。传统n型金属氧化物半导体（MOS）传感器虽灵敏度高，却因交叉敏感性难以精准识别特定VOCs，这促使科学界将目光转向更具选择性的p型材料。

密歇根理工大学（Michigan Technological University）的Yixin Liu团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表研究，通过创新性电纺（electrospinning）技术结合煅烧工艺，构建了Mo掺杂的ZnO/CoMoO₄/ZnCo₂O₄三元复合纳米纤维。该工作采用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等技术表征材料形貌，通过系统气敏测试发现：当Mo掺杂量为10%时，材料在250°C下对250 ppb正丁醇的响应值达到峰值，理论检测限低至29 ppb。这种突破性性能源于三大协同机制——p型ZnCo₂O₄与n型ZnO形成的异质结优化了载流子传输，CoMoO₄相增加氧空位浓度，而一维纳米纤维结构提供了超大比表面积。

【材料表征】SEM显示Mo掺杂使纤维直径从纯ZnCo₂O₄的120 nm降至10MZCO的85 nm，表面粗糙度显著增加；XPS证实10%Mo样品中氧空位浓度最高，Co²⁺/Co³⁺氧化还原对比例达1.83。

【气敏性能】在八种干扰气体（丙酮、甲醛等）测试中，10MZCO对100 ppm正丁醇的响应值达48.7，选择性系数超15.2；湿度实验表明其在30-90%RH范围内保持稳定响应，响应/恢复时间分别为58 s和112 s。

这项研究不仅为室内空气质量监测提供了新型传感材料，更开创了通过精确调控p-n异质结与氧空位浓度来增强p型MOS性能的新策略。正如通讯作者Yixin Liu强调的，该材料在实现"嗅探"级检测的同时保持良好抗干扰性，使得居家环境实时监测VOCs成为可能。未来通过集成物联网技术，这种纳米纤维传感器或将成为智能家居健康防护体系的关键组件。