ZnO@ZIF-71核壳结构纳米片直接生长Al2O3陶瓷管实现高选择性耐湿NH3传感器

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Direct growth of ZnO@ZIF-71 nanosheets on Al 2O 3 ceramic tubes for fabricating a highly selective and humidity-resistant NH 3 sensor

　　本研究发现通过两步水热法在Al2O3陶瓷管上直接生长ZnO@ZIF-71核壳纳米片，成功构建出对NH3具有高选择性（22.6/50ppm）和强湿度耐受性的气体传感器。该研究通过DFT理论模拟揭示了ZIF-71涂层增加比表面积和吸附氧物种的增强机制，为开发高性能氨气检测器件提供了新策略。

　　

结构表征

图1展示了ZnO@ZIF-71气体传感器的整体构建策略。首先通过X射线衍射（XRD）对样品晶相和纯度进行表征，结果显示纯ZnO样品的所有衍射峰均与标准PDF卡片（JCPDS#36-1451）完美匹配，且无杂质峰。衍射峰形尖锐、峰宽较小，充分证明水热法制备的产物具有高结晶度。

气体传感性能

通过系统评估ZnO@ZIF-71复合材料的NH₃传感性能发现，ZIF-71修饰显著提升了材料的气敏特性。最优水热生长时间（1小时）下制备的传感器在260°C对50ppmNH₃的响应值达到22.6，较纯ZnO提升约3.2倍。该传感器同时展现出34秒的快速响应特性，以及优异的长期稳定性和耐湿性。

增强机制分析

密度泛函理论（DFT）计算表明，ZIF-71涂层通过两种途径增强性能：其一，显著增加比表面积和吸附氧物种含量，提供更多活性位点；其二，其分子筛孔道结构可选择性过滤气体分子。理论模拟还精确分析了NH₃等小分子气体的吸附位点，合理解释了核壳材料灵敏度变化规律。

结论

本研究成功通过两步水热法合成ZnO@ZIF-71气体传感器。结果表明，在ZnO纳米片上水热生长ZIF-71的最佳时间为1小时。与原始ZnO相比，优化后的传感器对50ppmNH₃表现出卓越性能，同时具备显著增强的气体选择性和抗湿能力。