EuFeO3纳米纤维的制备及其气体传感性能

《Vacuum》：Preparation and gas sensing properties of EuFeO3 nanofibers

　　

王安琪|李向兵|周慧|吴宝旭|奚冰毅|张俊全|王瑞龙|郑乐和|崔卫兵|党文强|凌伟军|董忠

中国甘肃省天水市天水师范学院物理系，教育部集成电路封装与测试工程研究中心，邮编741001

摘要

本研究通过静电纺丝技术成功制备了EuFeO₃纳米纤维，并将其用于三乙胺气体检测。材料表征显示，制备的EuFeO₃纳米纤维的带隙宽度约为2.17?eV，比表面积为7.31?m²/g，纤维直径分布在0.2?μm左右。在气体传感性能测试中，当工作温度为210?°C时，传感器对100?ppm三乙胺的响应幅度为20.125，该值比其他气体高出2.5倍以上。传感器响应时间为22?s，并在16?s内恢复到基线水平。此外，该传感器还具有优异的可重复性和稳定性，检测限为1?ppm。因此，EuFeO₃纳米纤维非常适合用于高效、实时的三乙胺监测。

引言

气体传感器可以是电子鼻和人工嗅觉系统的重要组成部分[1]。在需要监测的各种挥发性有机化合物中，三乙胺（TEA）因其高毒性、易燃性和对呼吸组织的腐蚀性而特别值得关注[2]。因此，在化工厂和食品储存场所需要可靠的TEA检测技术[3]。然而，在众多抑制性气体中选择性地检测TEA一直是一个主要的技术挑战。提高传感器的灵敏度和选择性对于保护工业工人和公众健康至关重要[4]。

基于钙钛矿的材料在气体传感器方面具有潜力[5],[6],[7]，这主要归功于它们在高温下的高稳定性[8]。特别是ABO₃结构提供了可调的电导率和氧化还原功能[9]。这些特性，加上表面的协同催化效应[10]，可以在气体传感性能中发挥重要作用。Lukasz等人开发了掺锶的LaCoO₃，尤其是La_0.8Sr_0.2CoO₃，在350?°C以下对亚硝酸盐离子表现出优异的传感特性和稳定性，尽管响应和恢复时间较长[11]。Fanli等人制备了CeMnO₃/CuO传感器，将其工作温度从240?°C降低到220?°C，同时将100?ppm三乙胺的响应值从4.4提高到了11.4[12]。Xinru等人制备了掺镍的LaFeO₃，在260?°C下对100?ppm乙醇胺的响应值为8.3，响应和恢复时间分别为3?s和13?s[13]。Fangling Zhou等人开发了纳米花状的ZnSnO₃，在275?°C下对100?ppm正丁醇的气体灵敏度最高（40.48），检测限为500?ppb[14]。Zhou及其同事设计了一种可在室温下工作的气体传感器，使用CsPbBr₃钙钛矿材料，对硫化氢（H₂S）表现出出色的灵敏度和选择性，响应和恢复时间分别为73.5?s和275.6?s[15]。

在广泛的钙钛矿型氧化物家族中，分子式为RFeO₃的稀土正铁酸盐近年来已成为研究的重点。其中，EuFeO₃的特点是Eu³⁺离子不贡献净磁矩[16]，整体磁电响应主要由Fe³⁺离子形成的亚晶格控制[17]。此外，材料内部氧空位的形成以及铁离子的Fe²⁺/Fe³⁺价态的混合[18]，可以显著调节载流子浓度和化学吸附在材料表面的氧物种类型[19]，这两个因素是气体传感器件性能指标的核心。

尽管具有这些显著特性，但目前关于EuFeO₃气体传感应用的研究仍处于初步探索阶段。基于此，本研究采用EuFeO₃纳米纤维作为核心传感介质，成功制备了一种能够检测三乙胺浓度的传感器件。该传感器不仅表现出良好的选择性，还具备一系列其他优异的性能特点。此外，该器件的气体传感机制也得到了全面而细致的分析和阐明。

章节片段

将0.356g Eu(NO₃)₃.6H₂O和0.323g Fe(NO₃)₃.6H₂O溶解在2.5?ml DMF溶液中，并在26?°C下搅拌1?h。同时，将0.3g聚维吡咯烷酮（PVP，分子量=1300000）溶解在2?mL乙醇中，并在30?°C下充分搅拌2?h。然后将上述两种溶液混合，在30?°C下继续搅拌4?h，直到获得均匀的红棕色溶液。最后，将均匀的溶液小心地转移到10?ml玻璃注射器中，并控制溶液的流速

通过粉末XRD对原始EuFeO₃纳米纤维的晶体结构进行了表征，验证了样品的相均匀性。如图3(a)所示，EuFeO₃的(112)、(200)、(312)、(020)、(220)、(111)、(110)、(114)、(004)、(002)、(021)和(204)峰的2θ角分别为32.781°、33.330°、59.217°、31.901°、46.805°、25.706°、22.910°、53.205°、47.272°、23.128°和59.067°，这与EuFeO₃纳米纤维的六方结构相符

通过静电纺丝合成的EuFeO₃纳米纤维具有良好的气体敏感响应和选择性。实验结果表明，该材料对三乙胺蒸气具有很好的选择性，有明确的证据支持其高亲和力和特异性。在210?°C时，响应幅度高达20.125，且稳定性良好。即使暴露在仅1?ppm的目标气体浓度下，传感器也能显示出可测量的响应。

王安琪：研究、初稿撰写、审阅与编辑。李向兵：研究、方法论、审阅与编辑、审阅与编辑、研究。周慧：研究。吴宝旭：研究。奚冰毅：可视化处理。张俊全：可视化处理。王瑞龙：资金筹集。郑乐和：资金筹集。崔卫兵：资金筹集。党文强：资金筹集、研究。凌伟军：资金筹集。

所有作者均未披露可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

本研究得到了以下项目的资助：甘肃省科技重大专项（项目编号：25ZDGE004, 23ZDGE001），国家自然科学基金（项目编号：62541411, 62165012），甘肃省高校产业支持计划（项目编号：2024CYZC-44），甘肃省重点人才项目（项目编号：2025RCXM023），甘肃省教育技术创新项目（项目编号：2024A-114），甘肃省教育厅：重点培养项目