大连理工大学：研究用于稳定和选择性检测NO2的氮掺杂氧化铟电化学传感器-新利18国际娱乐

背景介绍

监测环境中气体成分的变化对未来的工业生产和日常活动越来越重要。这种监测的有效性在很大程度上取决于气体传感器的可靠性和性能。目前，主要基于ZnO、SnO₂和WO₃等金属氧化物的化学电阻气体传感器[3]因其成本效益和易于制备而在各种气体监测场景中得到了广泛的应用。然而，传统的金属氧化物半导体（MOS）传感器面临着与低选择性、高工作温度和有限的长期稳定性相关的挑战。相反，电化学气体传感器具有能耗低（可在室温下操作）和选择性高等优点。然而，它们的广泛采用仍然有限，主要是由于与碳载铂（Pt/C）等贵金属催化剂相关的高生产成本，以及与传统铂（Pt）基气体传感器的长期稳定性有关的问题。迫切需要开发对目标气体具有特殊敏感性的具有成本效益和耐用性的催化材料。

二氧化氮（NO₂）是一种重要的空气污染物，主要来自车辆发动机和工业活动，对环境和健康构成风险。监管干预旨在减少人为氮氧化物排放。目前的NO₂检测方法利用气相色谱质谱仪、红外吸收传感器和化学电阻气体传感器。然而，设备成本、测试复杂性和高工作温度等挑战依然存在。虽然碳化钛/L-谷氨酸（Ti₃C₂T_x/γ-PGA）化学电阻气体传感器显示出比Ti₃C₂T_x更好的响应，但稳定性仍然是一个问题。同样，分级C-MoS₂化学电阻气体传感器在低NO₂浓度（5 ppb）下表现出优异的性能，但恢复时间较慢（50分钟）。因此，开发具有更高灵敏度、稳定性和NO₂检测选择性的电化学传感器至关重要。

本文亮点

1. 本工作介绍了一种新型、经济高效的电化学传感器，该传感器使用氮掺杂氧化铟In₂O₃_−xN_2x_/3V_x_/3（0.01≤x≤0.14），通过不同的氮化时间合成。

2. 优化的In₂O₃ N-40分钟传感器在环境温度下显示出771 nA至10 ppm二氧化氮（NO₂）的显著响应电流，具有出色的长期稳定性（超过30天）和快速响应/恢复时间（5/16秒）。

3. 与Pt/C传感器相比，它的响应时间和恢复时间分别缩短了84%和67%，一个月后性能保持在98%，而Pt/C的性能为68%。

图文解析

图1. a) In₂O₃N-40 min 的 X 射线衍射 (XRD) 图案的 Rietveld 细化。b) In₂O₃N-40 min 的细化分子结构。c) In₂O₃和In₂O₃N-40 min 对 O 1s 的 X 射线光电子能谱 (XPS) 光谱。d) In₂O₃和 In₂O₃N-40 min 对 N 1s 的 XPS 光谱。e) In₂O₃N-40 min 的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。f) In₂O₃N-40 min 的透射电子显微镜 (TEM) 图像。g-i) In、O 和 N 的能量色散 X 射线 (EDX) 映射图像。

图2. a) 传感器对 10 ppm NO₂的响应瞬态。b) In₂O₃和 In₂O₃N-40 min 的响应与 NO₂浓度（0.1-10 ppm）之间关系的线性拟合。c) In₂O₃N-40 min 对 10 ppm NO₂的 6 循环动态传感响应。d) 传感器的响应与湿度变化之间的关系。e) 室温下传感器对 10 ppm NO₂和 200 ppm 不同气体的选择性。

图3. a) 室温下 In₂O₃N-40 min 和 Pt/C 对 10 ppm NO₂的长期稳定性。b) 室温下传感器对 10 ppm NO₂和 200 ppm 不同气体的选择性。c) 室温下 In₂O₃N-40 min 和 Pt/C 对 10 ppm NO₂的响应/恢复时间。d) 12 种传感材料的响应/恢复时间（以条形图表示）。e) 不同设备（电化学和化学电阻）维持 NO₂传感至原始信号的 98% 的时间。