【儀表網 研發快訊】傳感器技術被稱為現代信息技術三大支柱之一，氣體傳感器作為其中重要一環，在工業氣體泄露檢測、新型醫療診斷、智能家居、現代農業和爆炸物檢測等領域有著廣闊的應用前景。設計和創制兼具高靈敏度、高選擇性和高穩定性的氣敏材料是制備高性能氣體傳感器的關鍵。導電金屬有機框架(c-MOFs)作為一類新型的導電晶體多孔材料，具有高比表面積、可調的拓撲結構、孔徑大小、形狀、主客體相互作用、可調帶隙和電荷傳輸等特性，使其在氣體傳感器等領域具有巨大的應用潛力。
由傳統的熱溶劑合成策略制備的微晶c-MOF粉末具有拓展的拓撲網絡結構和結晶度，但固有缺乏溶液可加工性，使得制備大面積、高質量、取向導電MOF薄膜變得困難，限制了其與微納器件的集成與結合，表現出受限的載流子和質量傳輸特性等，因而進一步限制了MOF基高性能微納傳感器的批量化制備與應用。如何從“自下而上”構筑對特定氣體具有特異性識別功能的高靈敏c-MOF體系并實現高質量、取向、大面積導電MOF薄膜的可控制備仍面臨挑戰。
Ni3(HITP)2/NUS-8合成策略示意圖及其在多維傳感中的應用
針對這一問題，西安交通大學材料科學與工程學院張明明/袁泓曄團隊以典型的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的導電性，以及NUS-8和Ni3(HITP)2之間良好的晶格匹配效應，構筑了具有高導電性、優異的溶液可加工特性和高孔隙率的MOF-on-MOF結構(Ni3(HITP)2/NUS-8)，并將其應用于超痕量H2S室溫檢測及柔性傳感等領域。
研究結果表明，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，得到了分散性優異且具有較高穩定性的Ni3(HITP)2/NUS-8懸浮液的制備，實現了具有可變厚度、取向和大面積Ni3(HITP)2/NUS-8膜及復雜圖案的可控制備，并應用于柔性傳感。
最后，基于Ni3(HITP)2/NUS-8的氣體傳感器在室溫下對超痕量H2S表現出優異的靈敏度(檢測極限約為6 ppb)、選擇性和穩定性。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”為題發表在國際著名學術期刊《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)。西安交通大學材料科學與工程學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肖淞副教授為論文共同通訊作者，論文合作成員包括團隊負責人張明明教授、山東大學陶繼方教授等。金屬材料強度國家重點實驗室和西安交通大學材料科學與工程學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基金、高層次留學人才回國資助計劃、陜西省高層次青年人才引進計劃以及西安交通大學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新設計中心王疆靖教授和聶超博士以及西安交通大學分析測試共享中心的支持。
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