具有高灵敏度和抗湿度干扰性能的MOX@MOFs核鞘结构气敏传感器

从传统室内厂房气体监测到智能家居和可穿戴设备等新兴领域，气敏传感器正在扮演着越来越重要的角色。金属氧化物（MOX）作为气敏传感器领域的一个关键材料，具有价格便宜、工作寿命长、易大批量生产、环境友好和廉价等诸多优点，一直是相关工作者们的关注和研究的重点。MOX气敏传感器虽然取得一定的成果，且已有部分文献报道根据特定性质（如p-n型转换、气体极性等）能对某类气体产生一定的选择性，但是由于MOX本身的广谱响应特性，因而对单一气体的选择性检测（selectivity）却一直缺乏普适性的技术。中国科学院福建物质结构研究所徐刚研究员课题组针对这一问题，结合ZnO的高灵敏度与金属-有机框架材料（MOFs）的选择性吸附和催化能力，构筑新型ZnO@MOFs纳米复合材料。引入的催化MOF鞘层不仅起到选择性疏水的作用，还可以对材料表面的气敏反应起到催化作用。

长久以来，选择性差作为MOX气敏传感器的瓶颈问题一直困扰着相关领域的研究人员。引入MOFs包裹在MOX材料外层，形成复合材料后，借助MOFs强大的气体选择分离能力和MOFs中具有催化能力的金属原子对MOX材料的敏化效果，有望同时提升复合材料的气敏选择性和灵敏度。论文作者在预制电极的蓝宝石基底上热解包覆一层10nm左右的ZnO籽晶，然后水热生长ZnO纳米阵列，经过煅烧清理后，直接放入MOF的母液中进行MOF薄膜的包覆生长，通过参数控制，实现MOF壳层组分厚度的调控生长形成ZnO@MOF核鞘结构一维纳米阵列薄膜。该MOF鞘层不仅起到选择性疏水的作用，还可以对材料表面的气敏反应起到催化作用，极大地提升了其综合气敏性能。气敏测试结果表明：ZnO@MOF核鞘结构（1）具备了较好的抗湿度干扰的能力，变异系数仅为7.4%，优于10%；（2）对丙酮的检测限和响应值（10ppm）可达0.002ppm和27，比纯ZnO阵列分别提升了2个数量级和约20倍；（3）最佳响应温度比纯ZnO降低了125℃左右；（4）响应速度提高了48%，恢复速度提高了470%。

该工作中构筑的MOX@MOFs核鞘结构一维纳米阵列薄膜，不但可以作为一种的普适方法，在改善薄膜电学器件性能方面得到广泛的研究和应用，而且有望促进具有优异选择性和灵敏度的气敏传感器的发展，并应用于智能家居/载具、快速医学检测和可穿戴设备中。相关结果发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201506457）上。

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