摻鈦Co3O4上苯系物的化學(xué)鑒別和傳感過程的分子識(shí)別

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院董帆教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際傳感專業(yè)領(lǐng)域期刊ACS Sensors發(fā)表最新研究成果“Chemical Discrimination of Benzene Series and Molecular Recognition of the Sensing Process over Ti-Doped Co3O4”。這也是該團(tuán)隊(duì)在Sensors and Actuators B: Chemical發(fā)表“Porous Mn-Doped Co3O4 Nanosheets: Gas Sensing Performance and Interfacial Mechanism Investigation with In situ DRIFTS”論文后的又一重要研究成果。董帆教授為論文通訊作者，博士研究生曹正茂為第一作者，電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院為論文第一單位。

電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器具有操作簡(jiǎn)便、可移植強(qiáng)、兼容性好以及相對(duì)簡(jiǎn)單的配置和工作原理的特點(diǎn)，因而受到越來越多研究者的青睞，并廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域。揮發(fā)性有機(jī)化合物氣體不僅來源于工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的廢氣，同時(shí)也存在于房屋裝修過程使用化學(xué)品材料所釋放的氣體，對(duì)人們的身體健康和生活質(zhì)量造成了潛在的威脅。另外，揮發(fā)性有機(jī)化合物氣體可作為人體疾病標(biāo)志物，如通過檢測(cè)人體呼出氣體中甲苯和丙酮?dú)怏w的含量，便可以初步篩查患者是否患有肺癌和糖尿病風(fēng)險(xiǎn)。因此，氣體傳感技術(shù)具有廣泛且多元化的應(yīng)用前景。設(shè)計(jì)和開展氣體傳感反應(yīng)過程的原位實(shí)驗(yàn)研究，不僅能夠深入認(rèn)識(shí)和理解氣體傳感過程分子作用機(jī)制，同時(shí)也能夠?yàn)殚_發(fā)和設(shè)計(jì)高響應(yīng)氣體傳感材料提供有效的理論指導(dǎo)和重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

圖1 氣體傳感過程原位紅外測(cè)試結(jié)果

基于此，作者先以Mn摻雜Co3O4作為傳感材料，采用原位漫反射傅里葉變化紅外光譜技術(shù)研究了甲苯氣體傳感過程中傳感材料界面處甲苯分子的動(dòng)力學(xué)演變過程，發(fā)現(xiàn)甲苯氣體分子在傳感材料表面逐級(jí)氧化生成了一系列中間態(tài)物種，推斷甲苯分子氧化過程由數(shù)個(gè)基元反應(yīng)構(gòu)成，而非一步完全氧化過程。另外，傳感反應(yīng)中間態(tài)物種在氣體傳感表面的分子動(dòng)態(tài)演變過程可以分為吸附反應(yīng)、動(dòng)態(tài)平衡、脫附分離三個(gè)階段，并且與氣體傳感過程中測(cè)試電阻的變化具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。該項(xiàng)研究成果為認(rèn)識(shí)和理解氣體傳感過程中的氣固界面分子作用機(jī)制提供了新的見解。

圖2 氣體傳感過程表界面機(jī)理示意圖

進(jìn)一步地，作者更新了傳感材料的制備方法，獲得了對(duì)甲苯氣體響應(yīng)具有顯著提高的Ti摻雜Co3O4傳感材料。通過測(cè)試傳感器對(duì)甲苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對(duì)二甲苯、乙基苯的響應(yīng)恢復(fù)曲線，并從相應(yīng)的氣體響應(yīng)恢復(fù)曲線中提取特征因子，構(gòu)成氣體傳感響應(yīng)分析數(shù)據(jù)集，以及結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了甲苯、二甲苯異構(gòu)體、乙基苯氣體的準(zhǔn)確定性分析。

圖3 氣體傳感響應(yīng)特征提取與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確區(qū)分苯系物氣體分子

在前期研究工作基礎(chǔ)上，作者通過原位漫反射傅里葉變化紅外光譜分別考察了改性前后傳感材料表面的分子動(dòng)力學(xué)演變過程，發(fā)現(xiàn)改性后的氣體傳感材料對(duì)傳感反應(yīng)物種的吸附能力更強(qiáng)，并且反應(yīng)物種在其表面的分子動(dòng)力學(xué)演變過程更快。此外，理論計(jì)算結(jié)果也表明改性后的傳感材料具有更強(qiáng)的Lewis酸活性位點(diǎn)，以及對(duì)氧氣和甲苯氣體分子具有更強(qiáng)的吸附作用。該項(xiàng)研究工作結(jié)合原位實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算共同揭示了甲苯氣體傳感性能增強(qiáng)的分子作用機(jī)制。

圖4 氣體傳感過程原位紅外測(cè)試結(jié)果

圖5 理論計(jì)算獲取氣體傳感材料表界面信息

該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、四川省杰出青年基金和中央高?；究蒲袑ｍ?xiàng)資金的支持。

論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.2c00685

審核編輯 ：李倩