基于ZnO纳米棒/碳点/PEDOT:PSS异质结的自供电室温NH?和C?H?双气体传感

《Applied Surface Science》：Self-powered RT dual-gas sensing of NH 3 and C 7H 8 using a ZnO nanorods/carbon dots/PEDOT:PSS heterojunction

　　**摘要要点：**- 零偏压ZnO纳米棒/氮磷共掺杂碳点/PEDOT:PSS传感器可在室温下检测NH?和C?H?。- N/P共掺杂碳点敏化的ZnO纳米棒表现出优异的双气感测性能。- 无线信号传输实现了在手机和电脑终端上的实时监测。**引言**可靠地检测有毒气体和挥发性有机化合物（VOCs）至关重要，因为这些物质对环境品质、工业过程及人体健康构成威胁[1]。在实际场景中，如工业排放、室内空气污染、废物处理和化学加工等，多种具有不同物理化学性质的气体往往共存，从而增加了气体监测和预警系统的复杂性[2]，[3]。在这些气体中，氨（NH?）是一种具有代表性的有毒还原性气体，通常排放于农业操作、化学制造和有机废物降解过程中[4]；而甲苯（C?H?）作为代表性的芳香族VOC，通常排放于油漆、涂料、粘合剂、燃料和溶剂相关行业[5]。暴露于高浓度NH?会刺激眼睛和呼吸系统，而长期暴露于C?H?可能损害神经系统。由于NH?和C?H?在化学性质和吸附行为方面存在显著差异，其双气检测仍然具有挑战性。因此，开发能够同时响应NH?和C?H?的传感器对于环境监控和工业安全具有重要意义。尽管对危险气体和VOCs传感器的研究已十分广泛，但仍存在若干挑战限制其实际应用。传统化学电阻式传感器通常需要外部电源才能产生可测量的电信号，许多金属氧化物半导体传感器必须在高温下运行以促进气体吸附和表面反应[6]。这些要求不可避免地增加了能耗，使器件集成复杂化，并限制了其在便携式、无线和长期监测系统中的应用[7]。在此背景下，光伏自供能气体传感器提供了一种有吸引力的低功耗感测途径[8]，[9]。通过将被照射转换为电输出，它们可以在不施加外部偏压的情况下检测气体引起的 photocurrent 或photovoltage 变化。在此类系统中，p-n异质结设计起着关键作用，因为界面处的内建电场促进了光生载流子的分离，减少了复合，并支持稳定的光伏输出。同时，气体吸附在感测表面上会改变载流子浓度和界面势垒，从而产生可检测的信号变化。例如，Rekha等人[10]报道了一种透明的溶液加工ZnO/CuI异质结紫外激活光伏自供能气体传感器，用于选择性检测正丁胺。该传感器对25 ppm正丁胺实现了6.6 ppm的检测限和约10%的响应，在25天后仍保持初始响应的80%以上，展示了其在低功耗和长期VOC监测方面的潜力。因此，p-n异质结工程是将气体感测与光伏自供能运行相结合的有效策略。有序一维半导体阵列对于光伏自供能气体感测具有前景，因为它们可以提供直接的载流子传输通道、丰富的可及气体表面和高效的光收集通道。例如，Wei等人开发了一种基于InP纳米线阵列的光伏自供能NO?传感器，在无需外部电源的情况下对1 ppm NO?实现了84%的响应[11]。受此结构优势启发，ZnO纳米棒阵列因其合适的能带结构、高电子迁移率、化学稳定性和丰富的表面活性位点，成为光激活气体感测中有吸引力的n型平台。然而，纯ZnO仍需要进一步的表面和界面调控以增强其光电性能和气体感测性能[12]，[13]。异原子掺杂的碳点（CDs）可通过其可调控的官能团和电子结构来调节表面活性、光吸收和界面电荷转移[14]，[15]，[16]。此外，聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）作为典型的p型导电聚合物，具有高电导率、溶液加工性和室温（RT）感测能力[17]，[18]，[19]。当与n型ZnO偶联时，PEDOT:PSS可在界面处构建p-n异质结，有利于促进光生载流子的分离和光伏输出。在本工作中，异原子掺杂的CDs被引入到ZnO纳米棒阵列上作为敏化剂，以调节ZnO的表面活性和光电性质。通过使用N掺杂、P掺杂和N,P共掺杂的CDs，系统地研究了不同异原子构型对界面电荷转移和气体感测行为的影响。此外，将PEDOT:PSS选择性地沉积在CD敏化ZnO纳米棒阵列的指定区域上，以构建用于光伏自供能运行的p-n异质结。这一设计集成了表面敏化、光生载流子分离和光伏信号输出，为NH?和C?H?的低功耗双气感测提供了一种可行的策略。**章节摘要****材料**掺氟氧化锡（FTO）玻璃购自洛阳古罗玻璃有限公司，用作导电基底。醋酸锌（分析纯，AR）、六水硝酸锌（AR）、乙醇胺（AR）、无水乙醇（AR）、氨水（AR）、柠檬酸（AR）、乙二胺（EDA，AR）、磷酸（85 wt%，AR）和丙酮（AR）购自国药集团化学试剂有限公司。PEDOT:PSS购自上海阿拉丁试剂有限公司。银浆购自……**结构与形貌分析**通过X射线衍射（XRD）测量检查了FTO基底、FTO/ZnO纳米棒、FTO/ZnO纳米棒/NCDs、FTO/ZnO纳米棒/PCDs、FTO/ZnO纳米棒/NPCDs和FTO/ZnO纳米棒/PEDOT:PSS的晶体结构，如图2所示。标记蓝色星号的衍射峰归属于FTO基底，来源于掺氟SnO?导电层。对于含ZnO的样品，标记红色三角形且位于约31.8°、34.4°、36.3°处的衍射峰……**结论**在本研究中，在FTO基底上成功制备了ZnO纳米棒/CDs/PEDOT:PSS自供能气体感测器件。XRD、SEM、TEM、XPS、FTIR、UV–vis、BET和光电分析证实，CDs修饰保留了ZnO纳米棒的纤锌矿结构和一维形貌，同时引入了官能团、调节了表面氧物种、增强了光吸收，并实现了零偏压下的光伏输出。在所研究的器件中，ZnO纳米棒/NPCDs200/PEDOT:PSS……**CRediT作者贡献声明****李小凡：** 撰写——原始草稿，形式分析，数据整理。**杨学春：** 方法论，概念构思。**郭云：** 撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿。**王凌超：** 调查研究。**郭慧：** 调查研究。**田玉晴：** 软件。**朱晓涛：** 可视化。**乔一昱：** 方法论。**李盈盈：** 方法论。**冯玉奇：** 方法论。**利益冲突声明**作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：中国。如有其他作者，他们声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文所报告的工作。**致谢**本工作得到国家自然科学基金（批准号：12304467）和中国博士后科学基金会（批准号：2023M732175）的资助。作者还感谢上海大学上海科技服务计算中心提供计算资源支持。**作者名单：** 李小凡 | 杨学春 | 郭云 | 王凌超 | 郭慧 | 田玉晴 | 朱晓涛 | 乔一昱 | 李盈盈 | 冯玉奇