磷掺杂TiO2纳米花材料实现ppb级高选择性氧气传感的机制研究与应用

（编辑推荐）本研究通过溶剂热法合成磷掺杂TiO2（P-TiO2）纳米花，4 mol%掺杂样品（TP4）在260°C下对10 ppb O2响应值达1.02，其优异性能源于比表面积（128 m2/g）和氧空位增加，DFT计算证实了吸附能/功函数调控机制，为高性能氧传感器设计提供新范式。

　　

Highlight

磷掺杂TiO₂纳米花在氧气传感领域实现三大突破：ppb级检测极限、260°C最佳工作温度下的高选择性、以及通过氧空位工程强化的响应速度。

Introduction

氧气(O₂)作为非极性双原子分子，其检测在医疗氧疗、工业安全等领域至关重要。传统金属氧化物半导体(MOS)传感器面临选择性和超低浓度检测的双重挑战，而本研究通过精准磷掺杂策略开辟了新路径。

Materials

实验采用钛酸四丁酯(C₁₆H₃₆O₄Ti)和磷酸(H₃PO₄)为前驱体，通过两步溶剂热法构建分层纳米花结构，其"花瓣"状纳米片(~15 nm厚)形成独特的气体传输通道。

Structural and morphological analyses

SEM显示磷掺杂使TiO₂纳米花尺寸缩小，TP4样品比表面积提升22%（105→128 m²/g）。XPS证实磷以P⁵⁺形式取代Ti⁴⁺位点，产生更多氧空位——这如同在材料表面搭建了"氧气分子捕手"的活性位点网络。

Conclusions

DFT计算揭示磷掺杂通过降低吸附能(-1.38→-2.07 eV)和调控功函数，使材料对O₂的敏感性提升3倍。该传感器在30天测试中保持90%初始性能，如同给氧气检测装上了"分子级精准导航系统"。