化学势与矿化剂调控二氧化铈纳米材料气敏性能的机理研究

《Materials Research Bulletin》：Tuning Ceria-Based Nanomaterials: The Effects of Chemical Potential and Mineralizing Agents on atmosphere-induced electrical resistance

本文系统探讨了微波辅助水热法中矿化剂（KOH/NaOH）的化学势对CeO2薄膜气敏性能的调控机制。研究发现KOH可诱导更高氧空位浓度（τ1寿命达219 ps），通过调控Ce3+/Ce4+氧化还原态与暴露晶面，显著提升对CO气体的响应速度（<1秒），为设计高性能金属氧化物半导体（MOS）气体传感器提供了新策略。

　　

亮点片段

纳米结构合成与厚膜沉积

通过微波辅助水热法（MAH）合成二氧化铈（CeO₂）纳米结构：将六水合硝酸铈（Ce(NO₃)₃·6H₂O）溶于蒸馏水后，分别加入不同浓度（2M/4M）的NaOH与KOH矿化剂溶液，获得四组样品。混合溶液在高压釜中140°C反应40分钟，产物经离心干燥后，通过丝网印刷技术在氧化铝基底上制备厚膜。

纳米颗粒结构、微结构与光学表征

X射线衍射（XRD）图谱显示所有样品均呈现纯立方萤石结构（ICSD #29046），无杂相。Rietveld精修表明矿化剂类型与浓度会引起晶格参数的微小波动（见表1）。有趣的是，KOH合成的样品表现出更高的氧空位浓度（τ₁寿命从NaOH-2M的202 ps提升至KOH-2M的219 ps），这与其更小的晶粒尺寸和更高的比表面积密切相关。

结论

研究揭示矿化剂的化学势（而非单纯的粒径或表面积）是决定CeO₂气敏性能的关键。KOH的高化学势促进了Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原动态平衡的优化，并通过调控主导晶面暴露方向，显著增强了氧空位（V_O^••）的形成与分布。这种微观结构的精准调控使得材料在CO检测中展现出超快响应（<1秒），为新一代高性能气体传感器的设计提供了理论依据。