NANO编辑优选:基于双金属MOF衍生的CuO/Co3O4复合材料制备高性能H2S气体传感器

18 3月 2024 gabriels
本篇研究来自上海理工大学朱志刚课题组。在本文工作中,作者通过溶热法合成了双金属金属有机框架(MOFs)–Cu/Co=1:1,并通过煅烧得到了CuO/Co3O4复合材料,表现出低工作温度(40 °C)、高响应(对10ppmH2S响应196.3)、低检测下限(300ppb)等气敏性能。同时从p型CuO和p型Co3O4之间形成p-p异质结的角度深入探讨了气体传感机制。


文章介绍

Preparation of a high-performance H2S gas sensor based on CuO/Co3O4 composite derived from bimetallic MOF

Zhanhong Li, Xu Wang, Yu Yao, Jiangang Xin, Lili Xie, Yutong Han and Zhigang Zhu(朱志刚)

通讯作者:

  • 朱志刚,上海理工大学

 

研究背景:

金属有机骨架(MOF)是一种高度有序的晶体配位聚合物,由金属离子与有机配体的配位形成。HKUST-1(Cu-MOF)具备MOFs材料的结构优势,拥有良好的机械性能和对称性,具备良好的八面体形貌,即使在280°C高温下煅烧也能保持其骨架结构以及拥有大量的空缺金属位点,但由于纯相金属氧化物的工作温度高,响应低,使得亟需开发一种高响应的低能耗气体传感材料。大量研究表明,将气敏材料与金属氧化物复合可以使材料表面变得更加粗糙,粒径减小,并且伴有p-n异质结的生成,能够大大增强气敏材料的传感性能。

研究内容:

上图是煅烧Cu/Co-MOF得到的CuO/Co3O4复合材料的SEM图像。如图所示,如果Cu和Co的摩尔比为1:3或1:2,复合材料呈球形,不能保持八面体形状,当Cu和Co的摩尔比为1:1时,Cu/Co-MOF复合物是一个表面粗糙的八面体,大小约为5μm,如果将Cu和Co的摩尔比进一步降低到1:0.5或1:0.33,其中一些复合材料可以保持八面体形态,而一些复合材料则开始塌陷。之后对材料进行EDS测试,结果表明CuO/Co3O4复合材料表面的八面体形状均匀分布着Cu、Co和O元素。

该复合材料在低至40°C的工作温度下对H2S具有高响应,并且在该工作温度下对目标气体显示出高选择性。在动态响应曲线中,可以看出材料在300ppbH2S气氛下仍具有5.91的响应。

CuO/Co3O4复合物气敏性能主要是因为以下几个原因:(1) p型半导体气体传感器通过半导体材料表面的气体吸附/脱附引起电阻变化;(2) Co3O4与CuO之间相互作用,且两者之间形成p-p异质结提高了气体传感器的气敏性能; (3)CuO可与H2S气体发生反应,从而引起电阻变化。

基于Cu/Co-BTC制备的CuO/Co3O4复合材料传感器具有高灵敏度,出色的选择性,较低的检测限和在较低的工作温度下具有良好的重复性。这项工作为设计和制造在低工作温度下工作的高性能传感器提供了重要指导。


作者介绍

朱志刚  教授

上海理工大学

  • 朱志刚,上海理工大学健康科学与工程学院教授,上海市东方学者、曙光学者,博导,先后担任上海第二工业大学校学术委员会委员(2014-2019)、校学位评定委员会委员(2014-2019)、获得英国皇家学会国际研究员、美国Drexel大学访问教授,江苏大学材料学院兼职教授等称号,目前是国际刊物Frontier in Materials(IF=3.985)和Nanofabrication副主编、上海金属编委、国际电化学会会员、中国电子学会/微纳米技术协会高级会员、中国仪器仪表学会传感器分会理事。2005年以来在JMCA, ACS Sensor, SAB等重要刊物上发表论文90余篇(H-index=26),其中被SCI收录70篇(中科院一区20篇,二区24篇,ESI高被引3篇,IF>6的文章22篇),论文被引用超过2600次,单篇最高被引363次。申请发明专利20余项,其中被授权9项。积极参加各种国内外学术会议,其中特邀报告10次,分会场主席5次,组委会/顾委会委员5次。主持国家自然科学基金面上项目、上海科委基础研究重点项目、国家外专局、国家中医药管理局等项目。

期刊介绍

Nanotechnology

  • 2022年影响因子:3.5  Citescore:6.7
  • Nanotechnology(NANO)创刊于1990年,是第一本纳米科研和技术领域的专业期刊。NANO发表纳米技术研究发展前沿的高水平研究论文及纳米研究进展的综述,主要集中在纳米能源、生物和医学、电子和光子、图案和纳米加工、传感和驱动、材料合成和材料性能等领域。