科学网—扬州大学张超教授：g-C 3 N 4纳米片复合的Ag负载的Er 0.05 La 0.95 FeO 3异质结用于异戊醇检测-清华大学出版社学术期刊的博文
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2024-6-24 06:54
| 个人分类: JAC | 系统分类: 科研笔记
原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷) 期刊
Cite this article:
Xu K, Han M, Zheng Z, et al. Well-designed g-C 3 N 4 nanosheet incorporated Ag loaded Er 0.05 La 0.95 FeO 3 heterojunctions for isoamyl alcohol detection. Journal of Advanced Ceramics, 2024, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220892
https://doi.org/10.26599/JAC.2024.92208 92
1、 导读
已报道的 异戊醇传感器 常受限于 灵敏度低，耐湿性差 等问题 。 本研究 在 铒掺杂铁酸镧（ ELFO ） 表面 负 载银纳米 颗粒来 提高 其 对异戊醇的灵敏度 ，并 通过静电自组装将 g-C 3 N 4 纳米片 复合到 Ag/ELFO表面 以改善其在高湿度下的响应能力 。考虑到粮仓实际应用的需要，系统研究了 g-C 3 N 4 / Ag/ELFO在20%RH下的传感行为。此外，不同霉变期小麦的实际应用结果进一步证实了 该 传感器在小麦早期霉变监测中的应用潜力。
2、 研究背景
作为重要的粮食作物，小麦霉菌的快速无损检测对于确保食品安全至关重要。 异戊醇是小麦霉变早期的潜在生物标志物之一。在之前的工作 (D oi : 10.1039/D3TA05718F ) 中，基于 LaFeO 3 的传感材料对异戊醇表现出了显著的灵敏度。然而，必须注意的是， Er掺杂LaFeO 3 传感材料 仍然存在降低最佳操作温度和增强防潮性的潜力。中国《粮食安全贮藏含水率国家标准》明确指出，小麦储库的贮藏含水率应保持在 14%以下，以避免小麦 霉变 。 在金属氧化物半导体 (MOS)表面加载贵金属颗粒(Pt、Au和Ag)被证明是降低最佳工作温度的有效策略，其中Ag因其成本较低受到气 体 传感器开发 者 的青睐。具有纳米结构的聚合物 ( 如 g-C3N4 纳米片 )通常具有相对强大的水分子吸附和解吸能力，可 用于 增强 MOS基 传感器的抗湿性。
3 、文章亮点
1 . A g纳米颗粒负载及g-C 3 N 4 复合的协同作用改善了 Er 0.05 La 0.95 FeO 3 基 气体传感器的气敏性能。 g-C 3 N 4 / Ag / Er 0.05 La 0.95 FeO 3 气体传感器在 2 0% 相对湿度（ R H ）和最佳工作温度（ 2 25 o C ）下具有低检测极限 ( 75 ppb)，对 25 ppm异戊醇具有高响应值( 443.3 )、优异的选择性、重现性和长期稳定性( 15 天， 434.3±19.4 )。该传感器的灵敏度在已报道的异戊醇传感器中处于领先地位。
2 . g-C 3 N 4 / Ag / Er 0.05 La 0.95 FeO 3 气体传感器气敏性能增强机理。 增强的气敏性能主要源于银纳米颗粒的电子敏化和化学敏化以及 g-C 3 N 4 复合后抗湿性的提高。前体中 Ag + 的存在限制了铁酸镧晶粒的生长。除此之外，银颗粒位点的催化作用、溢出效应和降低的吸附活化能共同改善了 Er 0.05 La 0.95 FeO 3 的异戊醇 气体响应行为。 g-C 3 N 4 复合后抗湿性的提高改善了传感器在 2 0% RH 下的传感性能。
3 . g-C 3 N 4 / Ag / Er 0.05 La 0.95 FeO 3 气体传感器的实用性得到验证。 通过对不同存储时期小麦的综合挥发气体进行检测，探讨了该传感器的实际应用潜力。随着存储时间延长（ 1 ， 2 ， 3 ， 5 ， 7 天）， g-C 3 N 4 / Ag / Er 0.05 La 0.95 FeO 3 气体传感器对小麦挥发气体的响应从 18.2 提高到 734.1 ，这与异戊醇挥发量在 5 -7 天内会发生突增的情况完全一致，说明该传感器能够应用于小麦霉 变检测 。
4 、研究结果及结论
采用简单水热和静电自组装相结合的方法制备了 Ag/ ELFO和g-C 3 N 4 / Ag/ ELFO异质结。将0.085 M AgNO 3 标准溶液加入 Er-La-Fe硝酸盐-柠檬酸前驱体中， 通过水热发应（ 180 o C下反应 12 小时） 制备了 Ag 负 载的 ELFO(Ag 与 ELFO的摩尔比分别为0.5%、1%、1.5%和2%)。在700℃下煅烧3 小时 ，得到棕色载银 ELFO粉末 ， 对应的样品分别标记为 SA0.5,SA1,SA1.5,SA2。0.5 mg ,1 mg ,1.5 mg ,2 mg g-C 3 N 4 纳米片 分散 于 乙醇 , 并加入 50 mg SA1.5,搅拌1 小时后过滤，并在 400 ℃ 的温度下退火 2 小时， 标记为 CA 0.5, CA 1, CA 1.5, CA 2。
XRD和FT-IR分别用于确定银单质的存在以及 g-C 3 N 4 纳米片的 成功复合。随着前体中 AgNO3 含量 增加， 铁酸镧 的晶粒尺寸 从 34.69 nm减小 到 28.56 nm，说明反应前 体 中的 Ag + 离子阻碍了 ELFO晶粒的生长 。
SEM和HRTEM表征结果证实了传感材料的形貌特征：（1） Ag元素在微球表面以不连续的点状分布，表明Ag纳米颗粒成功加载到ELFO表面 ；（ 2） g-C 3 N 4 纳米片 分散在 Ag / EFLO表面 。
CA传感器的灵敏度 降 低可归因于较高的载流子转移势垒、较低的比表面积以及 g-C 3 N 4 纳米片覆盖导致的 Ag 敏化减弱的协同作用。 复合 1% g-C 3 N 4 纳米片 后， SA1.5传感器的耐湿性显著增强。基于应用背景，在20%相对湿度下 对 1CA 的传感性能 进行 系统性评价 。 1CA展现出低检出限（75 ppb）、重现性（ 443.3±13.7 ）、长期稳定性（ 434.3±19.4 ）、可接受的选择性以及优越的灵敏度。
CA1对不同霉变程度小麦复合挥发性气体的响应曲线呈现出不同的形状。CA1对贮藏前 三天 小麦 的 挥发性有机化合物的 电阻变化 曲线 在响应期内 呈先升高后逐渐降低的趋势，而对贮藏第 5、7 天 小麦 的相应曲线在响应期内 单调升高。这种差异可归因于气体混合物成分的巨大变化。随着储存期的增加， 1CA对不同储存期小麦 综合挥发气体 的响应在 7天内呈指数增长，证实了1CA监测霉变小麦的实用性。
5 、作者及研究团队简介
通讯作者：张超 扬州大学机械工程学院院长、教授、博士生导师。现主持江苏省杰出青年基金、国家自然科学基金等课题，已完成国家重点研发计划 “政府间国际科技创新合作”重点专项、装备发展部快速扶持项目等多项科研课题。研究成果获 2018年江苏省教育科学研究成果三等奖（第1完成人），2020年中国材料研究学会科学技术二等奖（第1完成人），2022年陕西省自然科学二等奖（第3完成人）等。任中国机械工程学会表面工程分会委员、青年学组副主任委员，江苏省“十四五”机械工程重点学科带头人和扬州大学学术委员会委员 ，《 Journal of Advanced Ceramics 》、《 Rare Metals 》和《材料保护》《 扬州大学学报（自然科学版） 》的编委 / 青年编委 。在《 Sensors and Actuators B 》、《 Chemical Engineering Journal》、《 Tribology International 》等知名期刊上发表 SCI 论文 100 余篇。
第一作者：许开春 扬州大学机械工程学院博士研究生，主要从事高性能金属氧化物基气敏材料设计以及等离子喷涂沉积多孔气敏涂层工艺研究
Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷) 期刊简介
Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷) 期刊 是由中华人民共和国教育部主管、清华大学出版社主办、清华大学出版社出版的国际学术期刊。 2 022 年期刊 影响因子为 16.9 ，在 SCI“材料科学：陶瓷”分类的28本期刊中 排名第 1 。本刊就此成为 SCI“材料科学：陶瓷”分类中首个影响因子突破15.0的期刊。
期刊中文网页： https://www.th-jac.com/
期刊英文网页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
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