CO退火增强Ptx/WO3微球结构稳定性与低温氢传感性能研究

为解决金属-氧化物半导体(MOS)材料界面特性对气体传感器性能的影响问题，研究人员通过CO退火预处理WO3微球并负载Pt纳米颗粒，开发出具有超高响应值(10,667@2000ppm H2)和亚秒级响应时间的低温氢传感器，为高性能气体传感器设计提供了新策略。

　　

在工业安全和新能源领域，氢气的快速精准检测始终是重大挑战。传统金属氧化物半导体(MOS)传感器虽成本低廉，但普遍存在响应速度慢、工作温度高、结构不稳定等问题。尤其当涉及铂(Pt)催化剂负载时，如何实现纳米颗粒均匀分散并调控金属-载体电子相互作用，成为提升传感性能的关键瓶颈。

湖北大学材料科学与工程学院的研究团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表创新成果，通过一氧化碳(CO)退火预处理钨氧化物(WO₃)微球，成功构建出具有分级空心结构的Pt_x/WO₃复合材料。该材料在100°C低温下对2000ppm氢气表现出10,667的创纪录响应值，响应时间突破1秒大关，同时展现出卓越的结构稳定性。

研究采用水热法合成WO₃微球，通过CO/O₂/Ar/H₂四种气氛退火对比，结合光沉积法负载Pt纳米颗粒。X射线光电子能谱(XPS)和透射电镜(TEM)证实CO退火能诱导碳掺杂稳定微球结构，并形成Pt⁰/Pt²⁺/Pt⁴⁺混合价态。电化学测试表明该处理显著提升了电荷转移效率。

【合成与表征】CO退火处理的WO₃微球直径缩减至964nm，比表面积增大，且空心结构更均匀。高分辨TEM显示(002)晶面间距扩大，证实碳掺杂引起的晶格畸变。

【传感性能】在100°C工作温度下，CO退火样品对H₂的响应值较O₂退火样品提升近40倍，且保持90%初始响应值经过30天测试。原位红外光谱揭示CO处理促进形成W⁵⁺-O-Pt活性位点。

【机理分析】CO退火产生双重效应：碳掺杂稳定微球骨架结构；诱导氧空位从中性态(V^×_O)转变为双电离态(V^??_O)，促进Pt与WO₃的电子耦合。密度泛函理论(DFT)计算显示该处理使H₂解离能降低0.38eV。

该研究突破性地证明CO退火可同步优化材料结构稳定性和催化活性，为设计新一代低温高效气体传感器提供了范式。通过精准调控金属-载体电子转移和界面氧空位状态，实现了传感性能的阶跃式提升，对发展氢能源安全监测技术具有重要应用价值。