01 [導(dǎo)讀]

SnPx具有分層晶體結(jié)構(gòu)，由交替排列的Sn和P層組成，使外部離子易于插入，進(jìn)一步暴露更多的表面反應(yīng)活性位點(diǎn)。此外，由于P原子比金屬原子電負(fù)性高，所以SnPx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(fù)電荷,從而吸附更多的氧氣分子。此外，SnPx還具有豐富的酸性P空位位點(diǎn)，有利于堿性氣體（如NH3）的吸附。然而，在傳統(tǒng)合成工藝中，SnPx納米顆粒的通常會(huì)團(tuán)聚，導(dǎo)致導(dǎo)電性和表面活性位點(diǎn)降低，從而阻礙其在氣體傳感器中的應(yīng)用。還原氧化石墨烯（rGO）作為一種導(dǎo)電材料，具有高載流子遷移率和比表面積的優(yōu)點(diǎn)。在rGO上修飾SnPx可以有效抑制體積膨脹和顆粒聚集。此外，SnPx和rGO之間的異質(zhì)結(jié)構(gòu)還將提供更多的表面吸附位點(diǎn)并促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移，從而帶來更好的感應(yīng)性能。然而，對(duì)SnPx材料的表面氣體吸附情況及其氣敏性能與敏感機(jī)制的研究尚不充分。

02 [成果掠影]

本文制備了SnPx/rGO復(fù)合材料，用于室溫下NH3氣體傳感。結(jié)構(gòu)表征表明，在rGO表面均勻分布了小尺寸的SnPx，且存在豐富的酸性P空位位點(diǎn)。氣體傳感結(jié)果顯示，SnPx/rGO復(fù)合材料的響應(yīng)值在磷化比為1:5（SG-5）時(shí)，對(duì)40 ppm的NH3的響應(yīng)值可達(dá)117.5%。SG-5還對(duì)低濃度的NH3氣體（響應(yīng)值：500 ppb NH3下響應(yīng)3%）表現(xiàn)出高響應(yīng)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(diǎn)和導(dǎo)電通道，SnPx/rGO復(fù)合材料在暴露于還原氣體和氧化氣體時(shí)表現(xiàn)出不同的氣敏傳感類型。在不同背景氣氛下的傳感響應(yīng)及DFT計(jì)算結(jié)果表明，NH3氣體主要被吸附在異質(zhì)結(jié)上與表面吸附氧反應(yīng)，表現(xiàn)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(xiàn)出p型傳感行為。該項(xiàng)工作以標(biāo)題為” Investigation of p-n sensing transition and related highly sensitive NH3 gas sensing behavior of SnPx/rGO composites”,于2023年6月28日發(fā)表在期刊Chemical Engineering Journal上。該雜志屬于Elsevier出版社，中科院分區(qū)一區(qū)，2022年影響因子16.7。

03 [核心創(chuàng)新點(diǎn)]

1. 由于NH3與NO2在SnPx/rGO表面的吸附能及導(dǎo)電通道不同，傳感器對(duì)還原性及氧化性氣體表現(xiàn)出不同的p-n響應(yīng)屬性。

2. NH3-TPD和DRIFTs分析結(jié)果揭示了NH3氣體在SnPx/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(duì)低濃度的NH3氣體表現(xiàn)出高響應(yīng)性（響應(yīng)值：500 ppb NH3下響應(yīng)3%）和較低的檢測極限（LOD：43.6 ppb）。

04 [數(shù)據(jù)概覽]

圖1. SG-5 (a)、SG-10 (b)和SG-15 (c)傳感器在室溫下對(duì)NH3的動(dòng)態(tài)傳感性能。傳感響應(yīng)隨NH3濃度的變化(d)(附圖為對(duì)低濃度NH3氣體的響應(yīng))。SG-5對(duì)10 ppm NH3氣體(e)和10 ppm NO2氣體(f)在RT下的響應(yīng)-恢復(fù)過程。

圖2.SnPx/rGO的氣敏響應(yīng)機(jī)制(a)及能帶結(jié)構(gòu)(b-d)

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

05 [成果啟示]

結(jié)果表明，SG-5復(fù)合材料在RT下對(duì)40 ppm NH3具有最大的傳感響應(yīng)(117.5%)，LOD為44.6 ppb。通過TPD和原位DRIFT證實(shí)了NH3氣體在材料表面的物理吸附。此外，由于吸附位點(diǎn)和導(dǎo)電通道的不同，該傳感材料對(duì)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(jié)果結(jié)DFT計(jì)算表明，NH

團(tuán)隊(duì)介紹

徐錫金教授，主要從事二次電池相關(guān)領(lǐng)域的研究，包括電極材料的開發(fā)、電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究以及電池體系的設(shè)計(jì)組裝等。相關(guān)工作在Advanced Energy Materials、Nano Energy、Science Bulletin、ACS Nano等領(lǐng)域內(nèi)知名SCI雜志及卓越期刊等雜志社發(fā)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(quán)發(fā)明專利20余件，主持多項(xiàng)省部級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目。擔(dān)任中國顆粒學(xué)會(huì)第八屆常務(wù)理事、中國顆粒學(xué)會(huì)超微顆粒專業(yè)委員會(huì)秘書長、第七屆稀土晶體專業(yè)委員會(huì)委員、山東省光物理專業(yè)委員會(huì)、中國化學(xué)快報(bào)青年編委、《稀有金屬》、《Rare Metals》兩刊青年編委、《中國粉體技術(shù)》第七屆編委會(huì)成員。第一位身份獲得山東省自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、中國顆粒學(xué)會(huì)自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、山東省留學(xué)人員回國創(chuàng)業(yè)獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)，以及山東省優(yōu)秀研究生導(dǎo)師、濟(jì)南大學(xué)優(yōu)秀教師/優(yōu)秀共產(chǎn)黨員等榮譽(yù)及稱號(hào)。王曉副教授，主要從事于新型半導(dǎo)體氣體傳感器的探究，包括高性能氣敏傳感材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其規(guī)模化器件組裝、自供電電化學(xué)氣體傳感器材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其器件組裝。以第一/通訊作者在Chemical Engineering Journal，Journal of Materials Chemistry A，Sensors and Actuators B: Chemical等期刊上發(fā)表論文30余篇。獲得國家自然科學(xué)基金、山東省教育廳青創(chuàng)團(tuán)隊(duì)等多項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助。

相關(guān)工作展示

1. Xixi Li, Xiao Wang*, Yuli Zhao, Tongkai Wang, Yao Fu, Feifei Li, Gang Zhao, Xijin Xu*，CoP decorated SnS2 nanosheets 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 SnOx/Co3O4 amorphous/crystalline heterophase with galvanic replacement reaction for superior HCHO sensing, Sensors and Actuators: B. Chemical, 2022, 350, 130876