西安交大科研人員在構(gòu)筑高性能氣體傳感器領(lǐng)域取得新進(jìn)展

　　傳感器技術(shù)被稱為現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱之一，氣體傳感器作為其中重要一環(huán)，在工業(yè)氣體泄露檢測、新型醫(yī)療診斷、智能家居、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和爆炸物檢測等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。設(shè)計和創(chuàng)制兼具高靈敏度、高選擇性和高穩(wěn)定性的氣敏材料是制備高性能氣體傳感器的關(guān)鍵。導(dǎo)電金屬有機(jī)框架(c-MOFs)作為一類新型的導(dǎo)電晶體多孔材料，具有高比表面積、可調(diào)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、孔徑大小、形狀、主客體相互作用、可調(diào)帶隙和電荷傳輸?shù)忍匦裕蛊湓跉怏w傳感器等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
 

　　由傳統(tǒng)的熱溶劑合成策略制備的微晶c-MOF粉末具有拓展的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度，但固有缺乏溶液可加工性，使得制備大面積、高質(zhì)量、取向?qū)щ奙OF薄膜變得困難，限制了其與微納器件的集成與結(jié)合，表現(xiàn)出受限的載流子和質(zhì)量傳輸特性等，因而進(jìn)一步限制了MOF基高性能微納傳感器的批量化制備與應(yīng)用。如何從“自下而上”構(gòu)筑對特定氣體具有特異性識別功能的高靈敏c-MOF體系并實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、取向、大面積導(dǎo)電MOF薄膜的可控制備仍面臨挑戰(zhàn)。
 

Ni3(HITP)2/NUS-8合成策略示意圖及其在多維傳感中的應(yīng)用
 

　　針對這一問題，西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張明明/袁泓曄團(tuán)隊以典型的Ni3(HITP)2(HITP = 2，3，6，7，10，11-己氨基三苯)和二維Zr-BTB MOF (NUS-8)作為研究對象，借助模板輔助生長策略，利用NUS-8的二維特性、溶液可加工性和Ni3(HITP)2的導(dǎo)電性，以及NUS-8和Ni3(HITP)2之間良好的晶格匹配效應(yīng)，構(gòu)筑了具有高導(dǎo)電性、優(yōu)異的溶液可加工特性和高孔隙率的MOF-on-MOF結(jié)構(gòu)(Ni3(HITP)2/NUS-8)，并將其應(yīng)用于超痕量H2S室溫檢測及柔性傳感等領(lǐng)域。
 

　　研究結(jié)果表明，Ni3(HITP)2在NUS-8納米片的受控外延生長遵循S-K的生長模式；通過控制生長的動力學(xué)，得到了分散性優(yōu)異且具有較高穩(wěn)定性的Ni3(HITP)2/NUS-8懸浮液的制備，實(shí)現(xiàn)了具有可變厚度、取向和大面積Ni3(HITP)2/NUS-8膜及復(fù)雜圖案的可控制備，并應(yīng)用于柔性傳感。
 

　　最后，基于Ni3(HITP)2/NUS-8的氣體傳感器在室溫下對超痕量H2S表現(xiàn)出優(yōu)異的靈敏度(檢測極限約為6 ppb)、選擇性和穩(wěn)定性。該工作可能為MOF薄膜及兼具高靈敏度和高選擇性MOF基氣體傳感器的批量化制備提供新的思路。
 

基于Ni3(HITP)2/NUS-8傳感器的氣體室溫傳感性能
 

　　該工作以《基于模板輔助生長策略構(gòu)筑溶液可加工性MOF-on-MOF體系用于超痕量H2S檢測》“Solution-Processable MOF-on-MOF System Constructed via Template-Assisted Growth for Ultratrace H2S Detection”為題發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)。西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生吳炫昊為論文第一作者，袁泓曄特聘研究員和武漢大學(xué)肖淞副教授為論文共同通訊作者，論文合作成員包括團(tuán)隊負(fù)責(zé)人張明明教授、山東大學(xué)陶繼方教授等。金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為該工作第一作者及通訊作者單位。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、高層次留學(xué)人才回國資助計劃、陜西省高層次青年人才引進(jìn)計劃以及西安交通大學(xué)青年拔尖人才支持計劃的共同資助。論文中的表征及測試得到了材料創(chuàng)新設(shè)計中心王疆靖教授和聶超博士以及西安交通大學(xué)分析測試共享中心的支持。