一种快速检测痕量爆炸物气氛策略：过渡金属掺杂氧化锌

爆炸物检测对于反恐防暴和维护国家安全具有重要意义。爆炸物的饱和蒸气浓度均较低，难以实现对其气氛检测。因此，制备高灵敏度、快速响应的气敏材料对于爆炸物气氛检测具有重要意义。近年来，一系列理论及实验结果表明，金属氧化物掺杂能够提高气敏材料对目标分子的响应大小，其原因归结于表面缺陷的存在。然而，掺杂对气敏材料响应速度的影响鲜有研究。能否可以通过元素掺杂调控材料结构和表面缺陷，从而实现对爆炸物气氛的快速超灵敏检测具有重要研究价值。中国科学院新疆理化技术研究所窦新存研究员课题组针对这一问题，进行了深入而细致的研究，通过过渡金属元素（Fe、Co、Ni）掺杂氧化锌（ZnO）显著地提升了对于痕量爆炸物气氛的响应速度，并通过验证性实验揭示了材料表面缺陷态与其响应速度的关系。

2015年，窦新存团队屈江等人为了探究气敏响应快慢与材料的结构和表面缺陷的关系，采用溶胶-凝胶法制备了富含表面缺陷的氧化锌（ZnO）纳米颗粒。通过电子顺磁共振表征发现，纳米颗粒的表面缺陷浓度与气敏响应大小存在重要联系，证明单电子氧空位对气敏性能起决定性作用。同时，过渡金属掺杂使得ZnO纳米颗粒中心的外部产生了一个局部电荷聚集层，能够显著缩短对爆炸物气氛的响应时间和回复时间。以该过渡金属掺杂的ZnO纳米颗粒为敏感膜组成的气体传感器阵列对室温下硝基爆炸物饱和蒸气和两种非制式爆炸物原料的蒸气均表现出良好的响应与区分能力，可以在13秒内将9.1 ppb的三硝基甲苯（TNT）和4.9 ppt的黑索金（RDX）从高浓度的结构类似物，如12.5%的苯，3.85%的甲苯和394.7 ppm的硝基苯中很好的分辨出来。通过与近年来相关文献报道比较发现，该传感材料的响应速度和大小超越目前世界上最灵敏的爆炸物气氛传感材料。该研究工作首次通过掺杂将材料的结构和响应速度联系起来，将为传感器的实用化提供有力的保障。相关文章发表于Small（DOI: 10.1002/smll.201503131）上。

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