【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】甲醛傳感器的靈敏度和檢測下限是其檢測水平的重要標準。近日，中國科學院過程工程研究所材料與環(huán)境工程研究部陳運法課題組開發(fā)出利用鈰元素摻雜一氧化錫、二氧化錫(SnO/SnO2)的異質(zhì)結(jié)材料。該材料在較低溫度(160 oC)下對甲醛具有22.4/5ppm的靈敏度，有望應(yīng)用于空氣甲醛污染的在線實時檢測。9月10日，相關(guān)研究成果發(fā)表在Sensors and Actuators B Chemical上。
甲醛是常見的室內(nèi)空氣污染物，主要來源于裝飾裝修材料中粘結(jié)劑的緩慢釋放，對人體健康頗具危害。目前，電化學傳感器法是對甲醛氣體的檢測方法之一，但面臨檢測下限不夠低及抗干擾能力差的問題。因此，亟需可實時掌握空氣污染狀況、充分去除甲醛污染的快速檢測與高效治理技術(shù)。
研究早期發(fā)現(xiàn)，半導體氧化物材料中的晶體缺陷對其氣敏性可起決定作用(ACS Sensors, 2018, 3(11): 2385-2396；Sensor. Actuat. B-Chem., 2020, 319: 128078)，摻雜元素與異質(zhì)結(jié)構(gòu)影響傳感器的選擇性(ACS Appl. Mater. Inter., 2020, 12(1): 1270-1279；Sensor. Actuat. B-Chem., 2021, 345: 130412)。基于此，本研究利用具有催化性能的鈰元素對氧化錫材料進行摻雜，并原位調(diào)控生長n型氧化錫與p型氧化亞錫的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了氣敏材料同時具有低達70 ppb的檢測下限以及優(yōu)良的抗甲醇、乙醇、丙酮等氣體干擾的能力。
原位紅外光譜分析表明，氣敏材料的敏感機理在于在合適的溫度下，甲醛在材料表面有效地吸附與反應(yīng)，產(chǎn)生足夠的中間產(chǎn)物，進而引起材料產(chǎn)生較強的響應(yīng)信號。而在低溫下，表面反應(yīng)不夠充分，響應(yīng)信號弱；在高溫下，表面反應(yīng)太過劇烈，中間產(chǎn)物壽命極短，也不足以產(chǎn)生強響應(yīng)信號。
此外，科研團隊研究出高效催化分解氣態(tài)有機污染物的錳氧化物系列材料(Appl. Catal. B-Environ.，2015, 162: 110-21)、高效催化分解臭氧的p型半導體催化材料(Appl. Catal. B-Environ.，2019, 241: 578-587)以及利用臭氧氧化二價錳離子制備室溫催化分解甲醛催化劑的新技術(shù)，以此為基礎(chǔ)，合作開發(fā)的室溫同步除甲醛除臭氧材料，已實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)與技術(shù)轉(zhuǎn)讓，應(yīng)用于其米家空氣凈化器。這些技術(shù)可實現(xiàn)將甲醛氧化成為二氧化碳和水，杜絕二次污染。
該系列研究為室內(nèi)空氣甲醛污染的快速檢測與高效治理提供了技術(shù)支持。研究工作得到“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目的支持。
圖1.甲醛氣敏響應(yīng)靈敏度(a)與選擇性(b)
圖2.甲醛在氣敏材料表面反應(yīng)的原位紅外光譜圖：1358處為二亞甲氧基，1564與2963處為甲酸根，1645與1288處為碳酸根，2359與2330處為二氧化碳。
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