碳点/Na?Ti?O??异质复合材料：用于实现高效且响应快速的室温氢传感器

《International Journal of Hydrogen Energy》：Carbon dots/Na 2Ti 6O 13 hetero-composite for highly efficient and prompt hydrogen sensor at room temperature

氢气传感器性能提升研究：通过水热法将碳量子点（CDs）负载于Na2Ti6O13纳米棒表面，构建n-n异质结，显著缩短响应时间（46s）至原材料的1/5，提升氢气灵敏度至3.64（1000ppm），并增强选择性。

　　近年来，随着清洁能源技术的快速发展，氢气作为一种理想的能源载体，因其燃烧后仅产生水蒸气、不排放温室气体等特性，受到广泛关注。然而，氢气的高易燃性和低点燃能量也带来了显著的安全隐患，因此对氢气检测技术的需求日益迫切。在众多检测手段中，氢气传感器因其成本低、稳定性好、响应速度快等优点，成为研究的重点。尤其是能够在常温下工作的氢气传感器，不仅能够避免高温带来的安全隐患，还能降低能耗，提高实用性。

当前，金属氧化物半导体（MOS）传感器是氢气检测领域的重要技术之一。这类传感器通常由二氧化钛（TiO?）、二氧化锡（SnO?）、氧化铟（In?O?）等材料构成，能够通过改变电阻来检测氢气的存在。然而，传统MOS传感器往往需要在高温下工作，这不仅限制了其在实际应用中的灵活性，还可能引发传感器中毒或点燃风险。此外，高温操作还需要额外的加热元件，增加了设备的复杂性和能源消耗。因此，开发能够在常温下工作的氢气传感器成为当前研究的一个重要方向。

在众多研究中，Na?Ti?O??作为一种具有独特结构的碱金属钛酸盐，引起了科学家们的关注。其结构由多个TiO?八面体通过边角相连，形成一种具有矩形隧道的三维网络结构，这种结构有利于氢气的快速扩散和吸附。然而，Na?Ti?O??本身具有较宽的禁带宽度，导致其电子迁移率较低，从而影响了其在常温下的氢气检测性能。为了改善这一问题，研究人员尝试了多种策略，如掺杂、形貌调控、贵金属修饰以及异质结构的构建。其中，异质结构的构建被认为是最具潜力的方法之一，因为它能够有效提升气体传感器的灵敏度和选择性。

异质结构的构建通常涉及两种不同半导体材料的结合，通过形成异质结，可以延长耗尽层，促进电子转移，从而增强气体检测性能。例如，研究者通过溶剂热法构建了SnO?–Sn?O?异质结构，用于检测二氧化氮（NO?）气体，其在150°C下表现出优异的响应能力，具有高灵敏度和低检测限。类似地，SnO?/In?O?异质结在检测乙醇时也表现出比纯SnO?纳米棒更高的响应性。这些研究表明，异质结构的引入可以显著提升气体传感器的性能，特别是在常温下工作的传感器。

在这一背景下，碳点（CDs）作为一种新型的纳米碳材料，因其独特的物理化学性质，如低成本、易合成、高导电性以及丰富的表面官能团，被广泛应用于气体传感领域。CDs具有类似石墨烯的晶格参数和高密度的活性位点，能够与Na?Ti?O??形成高效的异质结。此外，CDs的丰富表面化学性质有助于增强氧吸附能力，改善Na?Ti?O??的电子调控能力，从而提升其在常温下的气体检测性能。

本研究首次采用一步水热法合成了一种碳点修饰的Na?Ti?O??纳米棒异质复合材料，用于常温下的氢气检测。通过这种方法，碳点（约5 nm）被均匀地锚定在Na?Ti?O??纳米棒的表面，形成了具有高效氢气吸附和脱附能力的活性中心。此外，Na?Ti?O??纳米棒的隧道结构有助于氢气的快速扩散，从而提高气体检测的灵敏度和响应速度。实验结果显示，2 wt%的CDs/Na?Ti?O??异质复合材料在检测1000 ppm氢气时表现出高达3.64的响应值，响应时间从传统的225秒大幅缩短至46秒，这一性能的提升对于氢气检测具有重要意义。

为了进一步验证这种复合材料的性能，研究人员进行了多种表征手段，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）以及拉曼光谱等。XRD分析表明，纯Na?Ti?O??样品的衍射峰位于11.8°、24.5°、30.5°和38.3°，与（200）、（110）、（011）和（020）晶面一致，确认了其单斜晶系的结构（JCPDS No. 73–1398）。对于CDs/Na?Ti?O??复合材料，Na?Ti?O??的衍射峰仍然存在，表明其晶体结构在碳点修饰后没有发生明显变化。此外，CDs的引入并未改变Na?Ti?O??的物相，但显著改善了其表面性质和电子传输性能。

SEM和TEM图像进一步揭示了CDs在Na?Ti?O??纳米棒表面的分布情况。结果显示，CDs纳米点均匀地分布在Na?Ti?O??纳米棒的表面，形成了一个稳定的复合结构。这种结构不仅提高了材料的表面积，还增强了氢气与材料之间的相互作用。此外，CDs的高导电性有助于电子的快速转移，从而提升传感器的响应速度和灵敏度。拉曼光谱分析则表明，CDs的引入改变了Na?Ti?O??的振动特性，显示出新的表面化学键和电子态，进一步验证了其在气体检测中的潜在作用。

除了结构表征，研究人员还对复合材料的气体检测性能进行了系统评估。实验结果显示，CDs/Na?Ti?O??异质复合材料在检测不同浓度的氢气时表现出优异的响应能力。特别是，在0.1%的氢气浓度下，传感器能够在46秒内实现快速响应，显示出极高的灵敏度。此外，该传感器在200–5000 ppm的氢气浓度范围内均能稳定工作，表现出良好的重复性和一致性。这些结果表明，CDs的引入不仅提高了材料的表面活性，还优化了其电子传输性能，从而显著提升了氢气检测的效率和准确性。

综上所述，本研究通过一步水热法成功合成了碳点修饰的Na?Ti?O??纳米棒异质复合材料，为常温氢气检测提供了一种新的解决方案。该材料在结构、表面化学性质以及电子传输性能等方面均表现出优异的特性，使其在氢气检测领域具有广阔的应用前景。此外，该研究还为未来设计和合成高效气体传感材料提供了新的思路，为提升氢气检测设备的性能奠定了基础。