Ce-Cu共掺杂WO3纳米晶阻抗谱氨气传感技术：协同效应与性能优化

针对工业氨气(NH3)检测的选择性与灵敏度难题，研究人员通过水热法合成Ce-Cu共掺杂WO3纳米晶，利用XRD、FESEM、XPS等技术证实掺杂后氧空位增加，在250°C下实现8秒快速响应/恢复，100天长期稳定的优异性能，为开发高效MOS气体传感器提供新思路。

　　

氨气作为一种具有强腐蚀性和毒性的工业气体，其检测技术直接关系到环境安全和人体健康。传统检测方法如气相色谱存在设备笨重、成本高等缺陷，而金属氧化物半导体(MOS)传感器虽具有便携优势，却面临选择性差、工作温度高等挑战。其中三氧化钨(WO₃)因其可调谐的氧空位和多种晶型结构备受关注，但纯WO₃的传感性能仍待提升。

印度阿米提大学拉贾斯坦分校(Amity University Rajasthan)的Neha Sharma团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表研究，创新性地将稀土元素铈(Ce)与过渡金属铜(Cu)共掺杂于WO₃纳米晶，通过水热合成法制备出三元复合材料。研究采用多尺度表征技术：X射线衍射(XRD)确认单斜晶系结构，场发射扫描电镜(FESEM)显示掺杂使纳米片尺寸从56.96 nm缩减至18.55 nm；X射线光电子能谱(XPS)证实Ce³⁺/Ce⁴⁺与Cu⁺/Cu²⁺氧化还原对协同增加活性氧位点；紫外-可见光谱显示带隙从2.8 eV降至2.4 eV。

【气体传感机制】研究揭示在250°C最佳工作温度下，Ce-Cu共掺杂样品对氨气的响应值达纯WO₃的3倍。阻抗谱分析表明，掺杂材料在10²-10⁶ Hz频率范围内呈现显著半圆弧收缩，证实界面电荷转移阻力降低。DFT计算佐证Ce-Cu协同作用增强NH₃吸附能，其机制为：Ce³⁺→Ce⁴⁺转化促进氧空位形成，Cu提供电子快速传输通道，共同优化表面化学吸附氧(O^-)与目标气体的反应动力学。

【结论与展望】该研究开创性地将稀土-过渡金属协同效应应用于WO₃基气体传感器，其8秒响应速度和100天稳定性显著优于已报道的Cu或Ce单掺杂体系。虽然当前器件尚未实现室温检测，但为开发新型三元MOS传感材料提供范式。未来通过构建异质结或调控Ce/Cu掺杂比例，有望进一步突破ppb级检测极限。