濟南大學徐錫金/王曉 Chem. Eng. J.：SnPx/rGO的p-n氣敏屬性轉變及NH3氣敏性能研究

01 [導讀]

SnP_x具有分層晶體結構，由交替排列的Sn和P層組成，使外部離子易于插入，進一步暴露更多的表面反應活性位點。此外，由于P原子比金屬原子電負性高，所以SnP_x的電子云密度分布可控。金屬原子的電子云將偏向P原子，使P原子帶負電荷,從而吸附更多的氧氣分子。此外，SnP_x還具有豐富的酸性P空位位點，有利于堿性氣體（如NH₃）的吸附。然而，在傳統合成工藝中，SnP_x納米顆粒的通常會團聚，導致導電性和表面活性位點降低，從而阻礙其在氣體傳感器中的應用。還原氧化石墨烯（rGO）作為一種導電材料，具有高載流子遷移率和比表面積的優點。在rGO上修飾SnP_x可以有效抑制體積膨脹和顆粒聚集。此外，SnP_x和rGO之間的異質結構還將提供更多的表面吸附位點并促進電荷轉移，從而帶來更好的感應性能。然而，對SnP_x材料的表面氣體吸附情況及其氣敏性能與敏感機制的研究尚不充分。

02 [成果掠影]

本文制備了SnP_x/rGO復合材料，用于室溫下NH₃氣體傳感。結構表征表明，在rGO表面均勻分布了小尺寸的SnP_x，且存在豐富的酸性P空位位點。氣體傳感結果顯示，SnP_x/rGO復合材料的響應值在磷化比為1:5（SG-5）時，對40 ppm的NH₃的響應值可達117.5%。SG-5還對低濃度的NH₃氣體（響應值：500 ppb NH₃下響應3%）表現出高響應性和43.6 ppb的LOD。此外，通過NH₃-TPD和原位DRIFTs分析，研究了NH₃分子在材料表面的物理吸附和脫附情況。更有趣的是，由于不同的吸附位點和導電通道，SnPx/rGO復合材料在暴露于還原氣體和氧化氣體時表現出不同的氣敏傳感類型。在不同背景氣氛下的傳感響應及DFT計算結果表明，NH₃氣體主要被吸附在異質結上與表面吸附氧反應，表現出n型氣敏傳感性能。然而，NO₂氣體主要被吸附在rGO表面吸引電子，表現出p型傳感行為。該項工作以標題為”?Investigation of p-n sensing transition and related highly sensitive NH₃?gas sensing behavior of SnP_x/rGO composites”,發表在期刊Chemical Engineering Journal上。

03 [核心創新點]

1. 由于NH₃與NO₂在SnP_x/rGO表面的吸附能及導電通道不同，傳感器對還原性及氧化性氣體表現出不同的p-n響應屬性。

2.NH₃-TPD和DRIFTs分析結果揭示了NH₃氣體在SnP_x/rGO表面的吸附為物理吸附，且在室溫下可以完全的脫附。

3.SG-5對低濃度的NH₃氣體表現出高響應性（響應值：500 ppb NH₃下響應3%）和較低的檢測極限（LOD：43.6 ppb）。

04 [數據概覽]

圖1.?SG-5 (a)、SG-10 (b)和SG-15 (c)傳感器在室溫下對NH₃的動態傳感性能。傳感響應隨NH₃濃度的變化(d)(附圖為對低濃度NH₃氣體的響應)。SG-5對10 ppm NH₃氣體(e)和10 ppm NO₂氣體(f)在RT下的響應-恢復過程。?

圖2.SnP_x/rGO的氣敏響應機制(a)及能帶結構(b-d)

圖3.?空氣、O₂和N₂背景下SG-5對10 ppm NH₃?(a-c)和10 ppm NO₂?(d-f)的響應循環曲線。

05 [成果啟示]

結果表明，SG-5復合材料在RT下對40 ppm NH₃具有最大的傳感響應(117.5%)，LOD為44.6 ppb。通過TPD和原位DRIFT證實了NH₃氣體在材料表面的物理吸附。此外，由于吸附位點和導電通道的不同，該傳感材料對還原性和氧化性氣體也顯示出相反的傳感類型。不同背景氣體氣氛下的氣敏結果結DFT計算表明，NH₃主要吸附在異質結上，并與表面吸附的氧發生反應。NO₂主要吸附在還原氧化石墨烯表面以吸引電子。

原文詳情：Yao Fu, Tongkai Wang, Xiao Wang*, Xixi Li, Yuli Zhao, Feifei Li, Gang Zhao, Xijin Xu* ，Investigation of p-n sensing transition and related highly sensitive NH₃?gas sensing behavior of SnPx/rGO composites，Chemical Engineering Journal 471 (2023) 144499

DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144499

團隊介紹

徐錫金教授，主要從事二次電池相關領域的研究，包括電極材料的開發、電化學反應機理研究以及電池體系的設計組裝等。相關工作在Advanced Energy Materials、Nano Energy、Science Bulletin、ACS Nano等領域內知名SCI雜志及卓越期刊等雜志社發表研究論文200余篇，其中4篇論文選為封面文章，高被引論文8篇，被引10000余次，H 因子 54，授權發明專利20余件，主持多項省部級重點項目。擔任中國顆粒學會第八屆常務理事、中國顆粒學會超微顆粒專業委員會秘書長、第七屆稀土晶體專業委員會委員、山東省光物理專業委員會、中國化學快報青年編委、《稀有金屬》、《Rare Metals》兩刊青年編委、《中國粉體技術》第七屆編委會成員。第一位身份獲得山東省自然科學獎二等獎、中國顆粒學會自然科學獎二等獎、山東省留學人員回國創業獎等獎項，以及山東省優秀研究生導師、濟南大學優秀教師/優秀共產黨員等榮譽及稱號。王成剛講師，主要從事于新型儲能體系的探究，包括水系質子電池正負極材料的結構設計及其規模化器件組裝、水系近中性/堿性鋅基電池電極材料的合成及鋅負極保護、電化學超級電容器電極材料的結構設計及其器件組裝。已發表SCI學術論文38篇，以第一/通訊作者在Advanced Energy Materials，Science Bulletin(卓越期刊，領軍期刊類，被選為封面故事，并被National Science Review作為Highlight專題報道)，Energy & Environmental Materials，Chinese Chemical Letter(卓越期刊，重點期刊類)，Chemical Engineering Journal，ACS Sustainable Chemistry & Engineering等期刊上發表論文10余篇，被引2000余次(Google scholar)，h指數22，單篇引用>50次的文章15篇。2021年獲山東省自然科學獎二等獎。目前擔任Chemical Engineering Journal，Journal of Power Sources，Inorganic Chemistry Communications等期刊審稿人。

相關工作展示
1.Xixi Li, Xiao Wang*, Yuli Zhao, Tongkai Wang, Yao Fu, Feifei Li, Gang Zhao, Xijin Xu*，CoP decorated SnS₂nanosheets with synergistic electronic and electrocatalysis sensitization for enhanced room temperature NO₂?sensing, Sensors & Actuators: B. Chemical 389 (2023) 133883 ?
2.Tongkai Wang, Xiaojuan Li, Chuanlin Li, Na Li, Xiao Wang*,?Xijin Xu*, Multifunctional SnPx/GO composites for fully integrated and self-powered gas sensing system for NO₂?detection, Sensors & Actuators: B. Chemical 382 (2023) 133507.
3.Xiao Wang*, Wenjing Liu, Tongkai Wang, Yuli Zhao, Gang Zhao, Shouwei Zhang, Jinzhao Huang, Xijin Xu*, Synthesis of multishelled SnO_x/Co₃O₄amorphous/crystalline heterophase with galvanic replacement reaction for superior HCHO sensing, Sensors and Actuators: B. Chemical, 2022, 350, 130876