中科院新疆理化所通过缺陷控制实现ppb级NO2高灵敏度检测

　　随着工业的快速发展，空气污染问题日趋严重。NO₂作为最主要的大气污染物之一，其在极低浓度下(ppb级)就能对人体产生较大的危害。因此，开发可快速、灵敏地检测ppb级NO₂的气体传感器具有现实意义。以金属氧化物为敏感材料的NO₂气敏元件具有制作工艺简单、成本低廉等优点。然而，灵敏度低的问题直接限制了金属氧化物在实际检测ppb级NO₂中的应用。近年来，一系列理论及实验结果表明：金属氧化物半导体材料的表面缺陷能够提高其对NO₂分子的吸附能力，同时也能够高效地促进电子从半导体的导带转移至NO₂分子，从而有效地提高其检测灵敏度。因此，通过对材料表面缺陷的调控实现对NO₂的超灵敏检测具有重要研究价值。

　　目前，已被广泛研究的表面缺陷类型为单电子氧空位缺陷(VO·)，然而另一种坐落于SnO₂表面的缺陷—超氧复合自由基(Sn⁴⁺-O₂^-·)却未被引起足够的重视。与VO·缺陷中心相比，电子在Sn⁴⁺-O₂^-·上理论上更容易与NO₂分子发生作用从而增强灵敏度，原因在于电子坐落于吸附的O₂分子上，远离SnO₂晶格对其的束缚。然而，这种具有特殊结构的缺陷与材料灵敏度的关系还未被研究过。

　　2015年，中国科学院新疆理化技术研究所环境科学与技术研究室窦新存团队为了在材料表面引入这种缺陷，设计并构建了热力学不稳定的制备条件，科研人员以极不稳定的SnCl₄作为原料，利用冰浴控制反应温度以阻止其激烈的水解反应，再利用高温高压的水热环境瞬间打破前驱体溶液的亚稳态从而获得缺陷。基于该方法能够成功地将Sn⁴⁺-O₂^-·引入材料表面，利用这种材料制备的传感器对ppb浓度量级的NO₂具有超灵敏的传感特性(对200 ppb的NO₂响应高达35350倍)。与近年来相关文献报道相比，该材料是目前世界上最灵敏的NO₂传感材料。

　　此外，科研人员通过实验首次证明了材料表面Sn⁴⁺-O₂^-·数量的微小改变就能引起材料敏感性能的巨大变化。基于这种材料的传感器具有长期稳定性，良好的重复性、选择性，以及在紫外光下迅速恢复等一系列优异的传感特性，可为传感器的工业化生产提供有力的保障。

　　相关研究成果以Communication形式发表在Small上，并被“Materials Views中国”作为亮点报道。该工作得到了国家自然科学基金、中科院“百人计划”、西部之光、新疆维吾尔自治区杰青等项目的资助。

通过控制SnO₂表面缺陷控制NO₂传感器灵敏度示意图