双功能Rh?O?修饰提升了基于NiO的气体传感器对微量甲苯的检测性能

《Materials Research Bulletin》：Dual-functional Rh 2O 3 modification enhances the trace toluene detection performance of NiO based gas sensors

本研究合成Rh?O?修饰的Fe-NiO纳米材料用于甲苯气体传感。Fe掺杂提升NiO比表面积，促进Rh?O?均匀分散，降低氧空位形成能，增强表面反应动力学。优化传感器在225℃下对100ppm甲苯灵敏度92-100，响应/恢复时间38/27秒，检测限50ppb，协同效应显著提升传感性能。

　　

孙明阳|邵俊凯|王尚彦|潘国锋|杨雪丽|刘伟

河北工业大学电子与信息工程学院，天津电子材料与器件重点实验室，中国天津市北辰区西平路5340号，300401

摘要

甲苯是一种常见的芳香族化合物，被国际癌症研究机构（IARC）认定为高毒性致癌物。本研究合成了一种经过Rh₂O₃改性的Fe-NiO复合材料，用于检测有毒的甲苯。气体传感测试表明，该材料对甲苯具有出色的灵敏度。优化后的Rh/FN7-0.5传感器在225℃时对甲苯的响应值为92至100 ppm，响应/恢复时间分别为38秒和27秒，具有优异的选择性、重复性以及50 ppb的检测限。Fe的掺杂增加了NiO的表面积，有助于Rh₂O₃纳米颗粒的均匀分散。Rh₂O₃催化剂降低了氧空位的形成能，产生了更多的活性位点，并增强了甲苯氧化的表面反应动力学。Fe掺杂与Rh₂O₃改性的协同作用显著提高了整体的传感性能。

章节摘录

1. 引言

甲苯是一种广泛使用的芳香族化合物，应用于众多工业和商业领域，包括涂料、制药、农药、食品防腐、皮革加工和炸药[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。它是一种无色且易挥发的液体，具有独特的气味，在温度超过4.4℃时会变得易燃并可能爆炸[7]。长期暴露在高浓度的甲苯中会对中枢神经系统产生麻醉作用。

2.1 材料与合成

NiO和掺Fe的NiO的水热合成方法如下：将3 mmol的Ni(NO₃)₂·6H₂O和3 mmol的C₆H₈O₇（柠檬酸）溶解在30 mL的无水乙醇中。搅拌10分钟后，分别加入0、0.18、0.21和0.24 mmol的Fe(NO₃)₃·9H₂·9H₂O，然后在室温（25℃）下继续搅拌30分钟以确保充分混合。将溶液转移到一个50 mL的聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，进行水热处理

3. 特性分析

传感器的电阻-时间特性使用Fluke 8846（6.5位精度万用表，Fluke Test Instruments，上海，中国）和Keithley 2450源表（Keithley Instruments，美国）进行记录。为了研究材料的微观结构和形态，采用了一系列表征技术，包括扫描电子显微镜（SEM，Zeiss Sigma 500）、透射电子显微镜（TEM）和高分辨率透射电子显微镜

4.1 材料表征

样品的晶体结构通过X射线衍射（XRD）进行分析，相应的衍射图谱见图2(a)。所有衍射峰与标准NiO图谱（JCPDS No. 47-1049）吻合良好，特征反射峰分别对应于（111）、（200）、（220）、（311）和（222）晶面[32]。为了进一步验证Fe3?离子是否掺入NiO晶格，观察了43°至44°之间的放大衍射区域（图2(b)）。观察到（200）峰略有偏移

5. 结论

本研究采用简单的水热合成技术制备了掺Fe的NiO传感器，然后通过湿浸法加载不同量的Rh₂O₃，用于灵敏检测甲苯气体。结果表明，Rh/FN7-0.5传感器的性能显著优于其他传感器，在225℃时对100 ppm甲苯的响应值为92，响应/恢复时间为38秒和27秒，检测限低至50 ppb（约1.26）。适当的Fe掺杂

CRediT作者贡献声明

邵俊凯：撰写、审稿与编辑、监督、资源获取、资金筹措。孙明阳：撰写、初稿撰写、数据分析、概念构思。刘伟：撰写、审稿与编辑、监督、资源获取。杨雪丽：撰写、审稿与编辑、监督、资源获取、资金筹措。潘国锋：撰写、审稿与编辑、监督、资源获取、资金筹措、概念构思。王尚彦：撰写、审稿与编辑、监督、资源获取、资金筹措

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点自然科学基金项目（2016ZX02301003–004-007）、国家自然科学基金（62473126、52402246、62441405）、河北省自然科学基金（F2024202041、E2023202267）、天津市自然科学基金（25JCYBJC01060）以及石家庄市科技合作专项（SJZZXB23003）和天津电子材料与器件重点实验室的财政支持