复旦大学邓勇辉Adv. Funct. Mater.：贵金属敏化有序多孔氧化钨用于一氧化碳气体的快速灵敏监测

【引言】

气体传感器被誉为“电子鼻”，能够在较低浓度下特异性地、快速灵敏地监测有毒有害气体，在环境监控、食品安全、医疗卫生等领域具有广泛应用。贵金属敏化多孔金属氧化物一直被认为是高性能半导体气敏传感器的有力竞争者，其多孔结构不仅有利于气体分子的快速传输，而且提供了极大的比表面积，为贵金属提供丰富的负载位点，极大地发挥贵金属的敏化性能和催化性能，大大提高气体传感器的灵敏度和响应恢复性能。然而，传统制备贵金属敏化多孔金属氧化物的方法，都需要多步合成，预先合成载体或者贵金属，难以实现对介孔结构和贵金属负载位点的精确调控。

【成果简介】

近期，复旦大学化学系邓勇辉教授团队利用嵌段共聚物协同共组装技术，以自行设计的两亲性嵌段共聚物为结构导向剂，利用亲水端与亲水性钨源前驱体结合，疏水端与疏水性有机铂源结合(图1)，一步法直接共组装合成出一系列孔道高度连通、骨架高度晶化、铂纳米颗粒均匀负载的介孔WO₃/Pt复合材料(图2)，并首次将该材料用于高性能气体传感器的构建，实现快速灵敏地监测一氧化碳气体。所合成的材料具有大的比表面积（112−128 m2/g），较大的孔径（13 nm）以及均匀分散的铂纳米颗粒（4 nm）。其独特的结构和组分使其在较低的工作温度下（125 ºC）对100 ppm的CO具有高灵敏度响应（Rair / Rgas = 10），超快的响应/恢复时间（16 s/1 s）以及高度的选择性，明显优于无孔材料以及商业化的可燃气体传感器。在对其机理研究中，研究团队发现，该合成方法制备的WO₃/Pt材料中，Pt与WO₃载体存在的金属-载体强相互作用可以增强Pt的催化性能，同时Pt的引入可以明显增加载体WO₃的缺陷，有利于表面吸附氧的增加（图3A）。另一方面，利用XPS表征可以发现，在工作温度下，空气氛围中的Pt纳米颗粒存在少量氧化态，能在材料中形成p-n结，而在一氧化碳气氛中却被还原成还原态的Pt，从而显著地降低电阻，极大地提高灵敏度和选择性（图3B）。这为优化设计贵金属负载半导体气体传感器提供了新思路。相关成果以“Pt Nanoparticles Sensitized Ordered Mesoporous WO₃Semiconductor: Gas Sensing Performance and Mechanism Study”为题发表在Advanced Functional Materials期刊（Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1705268），硕士研究生马俊豪为第一作者。

【图文导读】

图1 气敏材料合成示意图

图2 相关表征

（A-C）介孔WO₃/Pt 扫描电镜图片；

（D-F）有序介孔WO₃/Pt 透射电镜图片，D插图为Pt颗粒粒径分布图，F插图为对应的电子衍射花样；

（G-I）为元素分布图。

图3 气敏机理示意图

【小结】

该工作得到复旦大学化学系、聚合物分子工程国家重点实验室、2011能源材料化学协同创新中心（iChEM）以及国家万人计划青年拔尖人才支持计划和国家自然科学基金优秀青年基金的大力支持。

文献链接：Pt Nanoparticles Sensitized Ordered Mesoporous WO₃Semiconductor: Gas Sensing Performance and Mechanism Study.（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201705268）

本文由邓勇辉教授团队供稿。

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