钕掺杂硫化镉纳米球快速选择性检测正丁醇的性能增强机制及应用研究

本文报道了首次通过水热法合成Nd掺杂(1-4 mol%)的CdS气敏材料。研究发现3 mol%掺杂的传感器在275℃检测正丁醇时性能最优：对100 ppm正丁醇响应值达127（约为纯CdS的3.34倍），具有极快恢复时间（3秒）和优异选择性。通过XRD、SEM、TEM、XPS等表征揭示了性能增强机制：Nd3+掺杂引起晶格畸变形成高活性区，提升气-空穴电子交换效率；抑制晶粒生长（≈26.85 nm）提供更多气体吸附/反应位点；降低n-butanol吸附能促进吸附/解吸过程。该研究为工业安全监测提供了具有实用价值的传感器材料。

　　

Highlight

本研究首次采用水热法制备了Nd掺杂(1-4 mol%)的CdS纳米球气敏材料。通过系统测试发现，3 mol% Nd掺杂的传感器在275℃展现最佳性能：对100 ppm正丁醇的响应值高达127（纯CdS的3.34倍），并具有惊人的3秒恢复速度。材料在10-300 ppm浓度范围内表现出超高检测精度（R2=0.96857），同时具备优异的抗湿性和长期稳定性。

材料表征

采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）揭示了性能增强的三大机制：

1. Nd³⁺掺杂引发晶格畸变，在硫空位周围形成高活性区域，显著提升气体-空穴电子交换效率

2. 晶格畸变抑制晶粒生长（≈26.85 nm），提供更多气体吸附/反应位点

3. Nd³⁺降低正丁醇吸附能，在促进气体吸附/反应的同时加速解吸过程

Conclusion

本研究通过一步水热法成功制备了不同Nd掺杂比例的CdS材料。其中3 mol% Nd掺杂样品在275℃对正丁醇表现出最优异的传感性能。这项工作不仅深化了对CdS气敏体系的理解，更为稀土元素功能化提供了新的实验证据，为工业安全监测和环境防护提供了高性能传感器解决方案。