復旦大學鄧勇輝Adv. Funct. Mater.：貴金屬敏化有序多孔氧化鎢用于一氧化碳氣體的快速靈敏監測

Andy 5年前 (2018-03-07) 5327瀏覽

【引言】

氣體傳感器被譽為“電子鼻”，能夠在較低濃度下特異性地、快速靈敏地監測有毒有害氣體，在環境監控、食品安全、醫療衛生等領域具有廣泛應用。貴金屬敏化多孔金屬氧化物一直被認為是高性能半導體氣敏傳感器的有力競爭者，其多孔結構不僅有利于氣體分子的快速傳輸，而且提供了極大的比表面積，為貴金屬提供豐富的負載位點，極大地發揮貴金屬的敏化性能和催化性能，大大提高氣體傳感器的靈敏度和響應恢復性能。然而，傳統制備貴金屬敏化多孔金屬氧化物的方法，都需要多步合成，預先合成載體或者貴金屬，難以實現對介孔結構和貴金屬負載位點的精確調控。

【成果簡介】

近期，復旦大學化學系鄧勇輝教授團隊利用嵌段共聚物協同共組裝技術，以自行設計的兩親性嵌段共聚物為結構導向劑，利用親水端與親水性鎢源前驅體結合，疏水端與疏水性有機鉑源結合(圖1)，一步法直接共組裝合成出一系列孔道高度連通、骨架高度晶化、鉑納米顆粒均勻負載的介孔WO₃/Pt復合材料(圖2)，并首次將該材料用于高性能氣體傳感器的構建，實現快速靈敏地監測一氧化碳氣體。所合成的材料具有大的比表面積（112?128 m2/g），較大的孔徑（13 nm）以及均勻分散的鉑納米顆粒（4 nm）。其獨特的結構和組分使其在較低的工作溫度下（125 oC）對100 ppm的CO具有高靈敏度響應（Rair / Rgas = 10），超快的響應/恢復時間（16 s/1 s）以及高度的選擇性，明顯優于無孔材料以及商業化的可燃氣體傳感器。在對其機理研究中，研究團隊發現，該合成方法制備的WO₃/Pt材料中，Pt與WO₃載體存在的金屬-載體強相互作用可以增強Pt的催化性能，同時Pt的引入可以明顯增加載體WO₃的缺陷，有利于表面吸附氧的增加（圖3A）。另一方面，利用XPS表征可以發現，在工作溫度下，空氣氛圍中的Pt納米顆粒存在少量氧化態，能在材料中形成p-n結，而在一氧化碳氣氛中卻被還原成還原態的Pt，從而顯著地降低電阻，極大地提高靈敏度和選擇性（圖3B）。這為優化設計貴金屬負載半導體氣體傳感器提供了新思路。相關成果以“Pt Nanoparticles Sensitized Ordered Mesoporous WO₃ Semiconductor: Gas Sensing Performance and Mechanism Study”為題發表在 Advanced Functional Materials 期刊（Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1705268），碩士研究生馬俊豪為第一作者。

【圖文導讀】

圖1 氣敏材料合成示意圖