中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
近日，上海理工大學材料與化學學院王丁團隊在MEMS氣體傳感領域取得重要進展，相關研究成果以“Ultrafast and Parts-per-Billion-Level MEMS Gas Sensors by Hetero Interface Engineering of 2D/2D Cu-TCPP@ZnIn2S4 with Enriched Surface Sulfur Vacancies”為題在國際著名期刊Nano Letters上發(fā)表。
該研究以購自廈門海恩邁科技有限公司的微懸臂梁氣敏測試系統(tǒng)作為測試平臺，實時監(jiān)測三乙胺（TEA）分子在2D/2D Cu-TCPP@ZnIn2S4復合敏感材料上吸附所引起的頻率變化，輸出動態(tài)響應曲線。同時利用該系統(tǒng)的熱力學動力學分析功能，進一步測量得到吸附焓變、活化能等參數(shù)，以指導敏感材料的設計合成與優(yōu)化、以及增敏機理探究等。
背景介紹
三乙胺（TEA）是一種的揮發(fā)性有機化合物（VOC），在工業(yè)生產(chǎn)中常作為極性溶劑、聚合物抑制劑、防腐劑和染料合成劑等被廣泛應用。但是，TEA具有強烈的氨氣味和潛在毒性，當TEA的濃度超過10 ppm時會對人體健康產(chǎn)生嚴重影響，長期暴露于TEA環(huán)境中時將對呼吸系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和肝臟等造成嚴重損傷，甚至危及生命。因此，精確監(jiān)測日常環(huán)境中的TEA濃度，評估室內(nèi)空氣質(zhì)量，對于保護人體健康至關重要。
目前，TEA傳感器主要采用色譜法、電化學法和光譜法等，但這些方法存在所需設備昂貴、或?qū)嶒灣绦驈碗s等不足；半導體型氣體傳感器則工作溫度高、功耗較大、穩(wěn)定性和壽命較差，檢測范圍局限于ppm量級。相比之下，諧振式微懸臂梁微機電系統(tǒng)（MEMS）氣體傳感器因其工作原理簡單、靈敏度高等優(yōu)點，能夠在室溫下將物理量轉(zhuǎn)換為頻率信號實現(xiàn)對目標氣體的監(jiān)測，在氣體吸附、傳感以及材料熱力學和動力學參數(shù)分析等領域被廣泛應用。
在以往的研究中，石墨烯、金屬有機框架（MOF）、金屬氧化物和金屬硫化物等氣敏材料用于諧振式微懸臂梁MEMS氣體傳感器檢測NH3、甲苯、NO和甲醛等氣體已取得一些進展，但關于TEA傳感的研究鮮有報道。因此，本項研究合理設計一種新型復合敏感材料，用于構(gòu)建高性能的TEA氣體傳感器，實現(xiàn)日常環(huán)境中TEA的快速高效識別、維護公眾安全具有重要意義。
本文亮點
在本研究中，首次成功合成了一種新型的2D/2D Cu-TCPP@ZnIn2S4復合材料，以Cu-TCPP MOF作為核心襯底材料，在其表面生長了具有{0001}晶面取向的2D超薄ZnIn2S4納米片?；诰哂胸S富的硫空位的2D/2D Cu-TCPP@ZnIn2S4復合敏感材料所構(gòu)建的氣體傳感器對TEA表現(xiàn)出優(yōu)越的敏感性能：在室溫下對ppb量級的TEA表現(xiàn)出超高的靈敏度（1.5 Hz@50 ppb和2.3 Hz@100 ppb）和快速的響應能力（9 s@500 ppb），以及良好的抗?jié)裥?、選擇性和長期穩(wěn)定性。同時，結(jié)合一系列原位表征和密度泛函理論計算，深入闡述了Cu-TCPP@ZnIn2S4傳感器的敏感機制，ZnIn2S4納米片的引入增加了的復合材料的比表面積、提供了豐富的硫空位活性位點，增強了傳感器對TEA的吸附和傳質(zhì)過程，共同促進了氣敏性能的提升。這一設計為未來氣體傳感器的發(fā)展和應用提供了重要的指導價值。
圖文解析
圖1 (a) Cu-TCPP@ZnIn2S4傳感器的制作流程示意圖；(b-d) Cu-TCPP、ZnIn2S4和Cu-TCPP@ZnIn2S4的SEM圖像；(e) Cu-TCPP@ZnIn2S4的TEM和HRTEM圖像；(f-j) Cu-TCPP@ZnIn2S4的STEM-EDS圖像。
圖2 Cu-TCPP、ZnIn2S4和Cu-TCPP@ZnIn2S4復合材料的氣敏性能結(jié)果：(a-c)在293 K下對不同濃度TEA氣體的動態(tài)響應曲線；(d) Langmuir響應擬合曲線；(e)選擇性；(f,g)響應/恢復曲線；(h)穩(wěn)定性；(i)抗干擾性。
圖3 (a-c) Cu-TCPP納米片、ZnIn2S4納米片和Cu-TCPP@ZnIn2S4復合材料對313 K下不同濃度TEA的動態(tài)響應曲線；(d-i) Cu-TCPP、ZnIn2S4和Cu-TCPP@ZnIn2S4復合材料的熱力學和動力學參數(shù)提取。
