摻鈦Co3O4上苯系物的化學鑒別和傳感過程的分子識別

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，電子科技大學基礎與前沿研究院董帆教授團隊在國際傳感專業(yè)領域期刊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”。這也是該團隊在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，電子科技大學基礎與前沿研究院為論文第一單位。

電阻式半導體氣體傳感器具有操作簡便、可移植強、兼容性好以及相對簡單的配置和工作原理的特點，因而受到越來越多研究者的青睞，并廣泛應用于民用、工業(yè)、環(huán)境等領域。揮發(fā)性有機化合物氣體不僅來源于工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的廢氣，同時也存在于房屋裝修過程使用化學品材料所釋放的氣體，對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)性有機化合物氣體可作為人體疾病標志物，如通過檢測人體呼出氣體中甲苯和丙酮氣體的含量，便可以初步篩查患者是否患有肺癌和糖尿病風險。因此，氣體傳感技術具有廣泛且多元化的應用前景。設計和開展氣體傳感反應過程的原位實驗研究，不僅能夠深入認識和理解氣體傳感過程分子作用機制，同時也能夠為開發(fā)和設計高響應氣體傳感材料提供有效的理論指導和重要的實驗依據(jù)。

圖1 氣體傳感過程原位紅外測試結(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力學演變過程，發(fā)現(xiàn)甲苯氣體分子在傳感材料表面逐級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)個基元反應構(gòu)成，而非一步完全氧化過程。另外，傳感反應中間態(tài)物種在氣體傳感表面的分子動態(tài)演變過程可以分為吸附反應、動態(tài)平衡、脫附分離三個階段，并且與氣體傳感過程中測試電阻的變化具有一一對應關系。該項研究成果為認識和理解氣體傳感過程中的氣固界面分子作用機制提供了新的見解。

圖2 氣體傳感過程表界面機理示意圖

進一步地，作者更新了傳感材料的制備方法，獲得了對甲苯氣體響應具有顯著提高的Ti摻雜Co3O4傳感材料。通過測試傳感器對甲苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯、乙基苯的響應恢復曲線，并從相應的氣體響應恢復曲線中提取特征因子，構(gòu)成氣體傳感響應分析數(shù)據(jù)集，以及結(jié)合機器學習算法，實現(xiàn)了甲苯、二甲苯異構(gòu)體、乙基苯氣體的準確定性分析。

圖3 氣體傳感響應特征提取與機器學習算法相結(jié)合實現(xiàn)準確區(qū)分苯系物氣體分子

在前期研究工作基礎上，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力學演變過程，發(fā)現(xiàn)改性后的氣體傳感材料對傳感反應物種的吸附能力更強，并且反應物種在其表面的分子動力學演變過程更快。此外，理論計算結(jié)果也表明改性后的傳感材料具有更強的Lewis酸活性位點，以及對氧氣和甲苯氣體分子具有更強的吸附作用。該項研究工作結(jié)合原位實驗研究和理論計算共同揭示了甲苯氣體傳感性能增強的分子作用機制。

圖4 氣體傳感過程原位紅外測試結(jié)果

圖5 理論計算獲取氣體傳感材料表界面信息

該研究工作得到了國家自然科學基金、四川省杰出青年基金和中央高校基本科研專項資金的支持。

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

審核編輯 ：李倩