MOF-5衍生CeO?/ZnO多孔异质结构的界面缺陷调控用于丙酮检测

《Journal of Alloys and Compounds》：MOF-5-Derived CeO 2/ZnO Porous Heterostructures with Interfacial Defect Modulation for Acetone Sensing

　　• MOF-5衍生CeO?/ZnO多孔氧化物异质结构已构建。• ZC6在300 °C下对100 ppm丙酮的响应值为103.25。• 传感器对丙酮的检测下限为0.2 ppm，响应时间为2秒。• Ce??/Ce3?氧化还原和氧空位促进了界面电荷转移。引言挥发性有机化合物（VOCs）微量检测对环境监测、工业安全和非侵入式医学诊断具有重要意义[1]、[2]、[3]。丙酮是一种典型的VOC，广泛应用于化工制造、涂料和制药行业，其意外泄漏可能造成安全和环境问题。丙酮也被视为与代谢紊乱相关的呼吸生物标志物[4]、[5]、[6]。因此，可靠的丙酮检测需要具有高灵敏度、高选择性、快速响应-恢复动力学和长期稳定性的传感材料。半导体金属氧化物（SMO）基气体传感器因其结构稳健性、可调缺陷化学以及与可扩展制造工艺的兼容性而被广泛研究[7]、[8]。其中，ZnO是一种典型的n型半导体，具有宽带隙和相对较高的电子迁移率，已被广泛用于丙酮检测[9]、[10]。其传感响应受表面氧气吸附/电离以及高温下电子耗尽层的调制控制[5]、[11]、[12]。然而，原始ZnO往往存在电阻调制不足和对丙酮氧化催化活性有限的问题。因此，贵金属修饰[13]、[14]、元素掺杂[15]、[16]和异质结构建[17]、[18]已被用于调节ZnO基传感材料的表面反应性和电子结构。然而，同时调节界面电荷转移和缺陷化学仍然是改善ZnO基氧化物化合物结构-性能关系的关键挑战。CeO?是界面缺陷调节的有吸引力的组分，因其具有可逆的Ce??/Ce3?氧化还原对和氧储存/释放能力，这与氧空位的形成和迁移密切相关[19]、[20]、[21]。将CeO?引入金属氧化物基质中可以增加表面活性位点，并在气体传感过程中促进氧化还原反应[22]、[23]。在CeO?/ZnO体系中，两种n型半导体之间的接触可以形成n-n异质界面，其中费米能级平衡引起界面电子重分布和能带弯曲。这种电子相互作用预期可以调制耗尽层并在暴露于还原性气体时放大电阻变化。同时，金属有机框架（MOFs）为构建多孔多组分氧化物提供了有用的前驱体平台。其有序配位网络允许金属物种在分子水平分布，而热转化可以产生有利于气体扩散和表面反应的多孔结构[5]、[24]、[25]。在此，MOF-5衍生的CeO?/ZnO多孔异质结构被制备并评估为丙酮传感材料。衍生的氧化物复合材料集成了可及多孔通道、紧密的CeO?/ZnO界面接触和缺陷丰富的表面化学。结构、光谱和电化学分析被用于阐明相组成、形态演变、氧空位特征和界面电荷转移行为。优化的ZC6传感器对丙酮表现出高响应、快速响应-恢复动力学、对常见干扰蒸气的良好辨别能力和稳定的长期运行。性能增强从n-n异质结引起的电荷重分布、Ce??/Ce3?介导的氧空位调制和MOF衍生的多孔结构耦合效应的角度进行了讨论。章节摘要材料所有化学品均为分析纯，未经进一步纯化直接使用。硝酸锌六水合物（Zn(NO?)?·6H?O，≥99.0%），对苯二甲酸（H?BDC，≥98.0%），硝酸铈六水合物（Ce(NO?)?·6H?O，≥99.0%），N,N-二甲基甲酰胺（DMF，≥98.0%）。丙酮（CH?COCH?，≥99.5%），乙醇（C?H?OH，99.7%），乙醚（C?H?OC?H?，≥99.0%），甲醛（HCHO，≥37.0%），甲醇（CH?OH，≥99.0%），甲苯（C?H?CH?，≥99.0%）用作气敏检测中的目标物或干扰物结构、表面化学和界面电荷转移行为首先通过制备的MOF-5 XRD图谱与模拟图谱的良好吻合确认了MOF-5前驱体的形成（图S1）。TG-DTG曲线进一步通过揭示有机框架在空气气氛下的热分解行为支持了所选的煅烧处理（图S2）。MOF-5衍生的CeO?/ZnO复合材料的相组成和微观结构总结于图2。如图2a所示，所有样品均显示出特征性的...结论总之，通过浸渍-煅烧法构建了MOF-5衍生的CeO?/ZnO多孔异质结构，并将其作为丙酮传感材料进行了研究。优化的ZC6传感器在300 °C下对100 ppm丙酮的响应值为103.25，可检测低至0.2 ppm的丙酮，响应/恢复时间分别为2秒和145秒。结构和光谱分析表明，性能增强源于多孔...的协同调节。CRediT作者贡献声明Kai Yu：软件，方法学，调查研究。Qihao Li：方法学，调查研究。Siyuan Li：方法学，调查研究。Junjie Shi：论文撰写 – 审阅与编辑，方法学，调查研究。Jianzhong Li：论文撰写 – 审阅与编辑，论文撰写 – 初稿，方法学，调查研究，资金获取。Fei Liu：论文撰写 – 审阅与编辑，论文撰写 – 初稿，软件，方法学，调查研究。利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢本工作得到了国家自然科学基金（批准号52574350）和中央高校基本科研业务费专项资金（N25BSS027）的支持。Fei Liu | Qihao Li | Siyuan Li | Kai Yu | Junjie Shi | Jianzhong Li