镧掺杂对铁酸锌纳米颗粒二甲苯气体检测性能的增强机制研究

本研究通过溶胶-凝胶自燃烧法合成镧(La)掺杂铁酸锌(ZnFe2O4)纳米颗粒(LZFO)，系统探究了La含量(1-5 wt%)对材料结构特性与气敏性能的影响。XRD证实立方尖晶石相，FESEM显示多孔团聚形貌，BET表明5%LZFO比表面积达82.4 m2/g，XPS揭示氧空位增加。该传感器在240°C对100 ppm二甲苯响应提升52%，兼具线性检测范围(10-500 ppm)和优异循环稳定性，为开发高效VOCs检测器提供新思路。

　　

Highlight

本研究亮点在于通过La³⁺掺杂显著提升ZnFe₂O₄纳米颗粒对致癌物二甲苯的检测性能，其协同效应源于氧空位增加与比表面积扩大，为工业环境监测提供新型敏感材料。

材料与方法

采用溶胶-凝胶自燃烧法制备不同La浓度(1-5 wt%)的LZFO纳米颗粒。以硝酸锌、硝酸铁和硝酸镧为前驱体，柠檬酸为燃料，氨水调节pH至7，经凝胶燃烧后获得多孔纳米粉末。

结构表征

XRD显示所有样品均保持立方尖晶石结构(Fd3m空间群)，La掺杂使晶粒尺寸从23 nm降至9.1 nm。FESEM观察到不规则团聚颗粒，EDAX证实La成功掺入晶格。BET分析表明5%LZFO具有最大比表面积(82.4 m²/g)，XPS验证Zn²⁺/Fe³⁺/La³⁺价态及氧空位富集现象。

气敏性能

5%LZFO在240°C对100 ppm二甲苯响应值比纯ZnFe₂O₄(260°C工作温度)提高52%，检测限低至10 ppm。传感器展现优异选择性（抗乙醇/丙酮干扰）和长达30天的稳定性，归因于La掺杂产生的表面活性位点与气体分子间强化学吸附。

Conclusion

La³⁺掺杂通过调控ZnFe₂O₄的晶格缺陷与表面特性，成功构建了高性能二甲苯传感器，为开发智能环境监测设备奠定基础。