MOF納米薄膜作為疏水層和催化劑增強MOX氣敏感測器性能

知識 08-28

目前，感測器越來越多地被應用到社會發展及人類生活的各個領域，如工業自動化、農業現代化、航天技術、機器人技術、環境監測、醫療診斷、交通運輸、智能家居、可穿戴設備等。智能感測器作為21世紀最具影響力和發展前景高新技術，正引起國內外電子信息界的高度重視。金屬氧化物（MOX）化學電阻型氣敏感測器雖然取得一定的成果，但是由於MOX本身的廣譜響應特性，因而對單一氣體的選擇性檢測（selectivity）卻一直缺乏普適性的技術。選擇性差作為MOX化學電阻型氣敏感測器的瓶頸問題一直困擾著相關領域的研究人員。

中國科學院福建物質結構研究所的徐剛研究員小組提出了一種使用金屬有機框架材料（MOFs）作為氣體選擇吸附和催化薄膜來增強MOX氣敏感測器選擇性和靈敏度的新思路。該研究以ZnO納米線陣列薄膜為基底，在其表面外延生長雙金屬MOF薄膜，獲得了一種由雙金屬比例可調、厚度可控的MOX@MOFs納米核鞘結構一維納米陣列薄膜。該材料以50-100 nm的ZnO納米線為核心導電網路和高靈敏度氣敏材料，以雙金屬混合 ZIF-CoZn薄膜的MOFs鞘層為選擇性抗濕度材料，同時MOF鞘層中的Co元素具有低溫催化能力，進一步提升綜合氣敏性能，使得該材料具備極靈敏的低溫VOCs檢測能力和選擇性地提升其抗濕度性能。氣敏測試結果表明：ZnO@MOF核鞘結構（1）具備了較好的抗濕度干擾的能力，變異係數僅為7.4%，優於10%；（2）檢測限和響應值（10 ppm）可達0.002 ppm和27，比純ZnO陣列分別提升了2個數量級和約20倍；（3）對丙酮的最佳響應溫度比純ZnO降低了125℃左右；（4）響應速度提高了48%，恢復速度提高了470%。該工作中構築的MOX@MOFs核鞘結構一維納米陣列薄膜，不但可以作為一種的普適方法，在改善薄膜電學器件性能方面得到廣泛的研究和應用，而且有望促進具有優異選擇性和靈敏度的氣敏感測器的發展，並大規模應用於智能家居/載具、快速醫學檢測和可穿戴設備中。