MOF衍生多孔Pd@SnO2复合材料实现高性能室温氢传感技术突破

本研究成果报道了一种基于金属有机框架（MOF）衍生的多孔Pd@SnO2复合材料，通过溶剂热法与煅烧工艺协同构建高比表面积（47.7 m2/g）和富氧空位（36.3%）结构。该传感器在室温下对氢气（H2）表现出卓越响应（Ra/Rg=25.4, 50 ppm）、低检测限（1 ppm）和长期稳定性（>21天），为安全氢能应用提供关键技术支撑。

　　

Highlight

高性能室温氢（H₂）传感器是爆炸风险环境监测的理想选择。然而，半导体化学电阻式气体传感器通常需高温工作，限制其广泛应用。本研究通过简易溶剂热法结合Sn-MOF煅烧，开发出Pd修饰的多孔SnO₂氢传感材料（Pd@SnO₂）。所得材料呈现多孔颗粒结构，具有47.7 m2/g的高比表面积和36.3%的高浓度氧空位（O_V）。丰富的气体扩散通道和表面活性位点促进了氢分子扩散与吸附，同时提供大量Pd修饰位点以降低气体吸附与活化能。通过这些特性的协同作用，多孔13 wt% Pd@SnO₂基氢传感器在室温下展现出显著增强的传感性能：优异响应（Ra/Rg=25.4, 50 ppm/25℃）、出色长期稳定性（超过21天）及1 ppm检测限。迄今，该材料在室温下的响应高于已报道的所有SnO₂基H₂传感器。本研究为室温氢探测器设计提供重要参考。

Chemical and materials

本研究采用二水合氯化亚锡（SnCl₂·2H₂O）和三硫代三聚氰酸钠水合物（Na₃ttc·xH₂O）作为Sn-MOF合成起始原料，甲醇（MeOH）为反应溶剂。以氯化钯（PdCl₂）为钯源，L-抗坏血酸（C₆H₈O₆）作为温和还原剂促进金属沉积。商业二氧化锡用于对比实验。

Material characterization

图1a展示了Sn-MOF衍生多孔13 wt% Pd@SnO₂的合成流程。Sn-MOF合成借鉴已报道的回流法：将Na₃ttc·xH₂O甲醇溶液缓慢加入85℃的SnCl₂·2H₂O水溶液中，收集沉淀获得黄色Sn-MOF粉末（图1a左）。由Sn离子与有机配体构建的Sn-MOF经煅烧去除有机组分，转化为多孔SnO₂基质，随后通过原位还原负载Pd纳米颗粒。

Conclusion

总之，通过简易溶剂热法结合Sn-MOF煅烧，成功合成Pd修饰多孔SnO₂氢传感材料。该材料具备47.7 m2/g高比表面积、36.3%氧空位（O_V）和均匀分散的Pd纳米颗粒。这些特性协同作用使传感器在室温氢检测中表现出显著增强的性能，包括快速响应（48 s）和恢复时间（862 s）、优异传感性能（Ra/Rg=25.4, 50 ppm/25℃）、卓越长期稳定性及1 ppm检测限。本研究为高性能低功耗氢传感器设计提供策略方向，并为MOF衍生金属氧化物半导体（MOS）在室温氢检测中的应用提供深刻见解。