近日，徐錫金/王曉在氣敏傳感領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，相關(guān)工作以題為" Regulating the d-Band Center of an FeCu/NC Dual-Metal Catalyst for Self-Powered and Smart Sensing of Oxidizing and Reducing Gas"的研究論文發(fā)表于期刊ACS Sensors（https://doi.org/10.1021/acssensors.5c02143）上，中科院分區(qū)一區(qū)，影響因子9.1。
本研究構(gòu)建了基于鋅-空氣電池（ZABs）的自供電氣體傳感器，以雙金屬FeCu/N為催化劑，通過對(duì)三相界面處電化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控實(shí)現(xiàn)了對(duì)氧化性氣體及還原性氣體的檢測(cè)。Cu金屬催化劑具有可調(diào)諧的電子構(gòu)型、優(yōu)良的選擇性和高穩(wěn)定性，可以有效促進(jìn)氧化性氣體（NO2）的催化還原。此外，該Cu金屬催化劑對(duì)H?S等還原性氣體具有強(qiáng)化學(xué)親和力，能形成相對(duì)穩(wěn)定的Cu-S鍵，有利于H?S氣體傳感。然而，Cu的d帶中心位于低于費(fèi)米能級(jí)的能量位置，且其反鍵軌道電子占據(jù)率較高，這削弱了其與NO?等氣體分子的化學(xué)鍵合能力，導(dǎo)致了相對(duì)較高的能量勢(shì)壘。Fe金屬催化劑因其在費(fèi)米能級(jí)處具有豐富的d軌道態(tài)密度，具有優(yōu)異的催化活性。因此，將Fe摻入Cu金屬催化劑有望通過將d能帶中心向費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)來調(diào)節(jié)Cu催化劑的電子結(jié)構(gòu)，顯著促進(jìn)電子向NO?氣體分子的轉(zhuǎn)移，從而增強(qiáng)NO?氣體吸附與催化還原活性。Fe納米顆粒通過與氧原子形成共價(jià)鍵，促進(jìn)NO?氣體在雙金屬催化劑上的吸附，顯著加速催化劑與目標(biāo)氣體間的電荷轉(zhuǎn)移與重分布。此外，Fe的摻入還降低了Cu催化劑NO?還原反應(yīng)的吉布斯自由能，并使d帶中心向上移至費(fèi)米能級(jí)，大幅提升氣體吸附與催化活性。基于ZABs的傳感器在室溫（RT）和25%相對(duì)濕度（RH）條件下，展現(xiàn)出對(duì)NO?氣體的高靈敏度（0.16 V@10 ppm）和快速響應(yīng)過程（40秒）。此外，基于ZAB的傳感器在RT條件下對(duì)還原性氣體（H?S）也表現(xiàn)出高響應(yīng)（0.1 V@25 ppm）。H?S氣體將被化學(xué)吸附在FeCu/NC催化劑表面形成Cu–S鍵，導(dǎo)致開路電壓（OCV）明顯下降（圖1b）。最終，該自供電氣體傳感器被集成至智能傳感裝置中，該裝置包含STM32微控制器、WiFi模塊及顯示設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)NO?氣體的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程檢測(cè)。
圖1. 傳感裝置制備、工作原理及應(yīng)用
圖2. FC-3傳感器在室溫下對(duì)NO?氣體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程及FC-1傳感器在室溫下對(duì)H?S氣體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程
撰稿：王曉 編輯：弋媛 審核：徐錫金
