异质结工程构建分级SnO2/NiO微米花用于高灵敏度ppb级二甲苯检测

《Talanta》：Hierarchical SnO 2/NiO Microflowers via Heterojunction Engineering for High-Sensitive ppb-Level Xylene Detection

　　本文通过溶剂热法成功构建SnO2/NiO p-n异质结微米花结构，实现对二甲苯的高性能检测。该传感器在180°C工作温度下对100 ppm二甲苯的响应值达24（较纯NiO提升15倍），检测限低至50 ppb，兼具优异选择性、重复性和稳定性。研究揭示了异质结工程通过调控电荷转移、增加表面化学吸附氧物种，为复杂环境中芳香烃检测提供了新策略。

　　

亮点

样品合成

合成过程如图1a所示。所有化学品均为分析纯且未经进一步纯化。采用水热法合成材料：将7 mmol硝酸镍（Ni(NO₃)₂·6H₂O）与特定质量的氯化亚锡（SnCl₂·2H₂O）溶于25 mL乙醇和20 mL去离子水的混合溶液，随后按尿素与金属阳离子3:1的摩尔比加入尿素，搅拌1小时形成均匀透明溶液。将混合物转移至100 mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在120°C下反应12小时。反应结束后，通过离心收集沉淀物，并用去离子水和乙醇交替洗涤三次，在60°C下干燥12小时获得前驱体。最后将前驱体在400°C马弗炉中煅烧2小时，得到x mol% SnO₂/NiO（x=0, 5, 10, 15, 20）样品。

结构与形貌表征

图2a展示了纯SnO₂和x mol% SnO₂/NiO样品的X射线衍射（XRD）图谱。纯NiO的衍射峰与立方相NiO标准卡片（PDF#47-1049）的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面完美匹配。随着Sn的引入，在2θ为26.61°和33.89°处出现明显的SnO₂特征峰（PDF#41-1445），分别对应(110)和(101)晶面。当SnO₂含量达到15 mol%时，异质结结构最为显著，且无杂质峰出现，证明成功构建了SnO₂/NiO复合体系。

扫描电子显微镜图像显示，纯NiO呈现由纳米片自组装形成的三维花状结构，比表面积达89.6 m²/g。SnO₂的引入使纳米片表面变得粗糙，并形成更多介孔结构。当SnO₂含量为15 mol%时，微米花结构保持完整，且SnO₂纳米颗粒均匀分布在NiO纳米片表面，这种分级多孔结构为气体扩散和表面反应提供了理想场所。

X射线光电子能谱分析表明，SnO₂/NiO异质结中存在丰富的氧空位，且Ni²⁺和Sn⁴⁺的化学环境发生明显变化，证实了p-n异质结的形成。这种异质结可有效促进电荷分离，增加表面吸附氧物种（O₂^-和O^-）浓度，从而显著提升气敏性能。

气敏性能研究

气敏测试结果显示，15 mol% SnO₂/NiO传感器在180°C时对100 ppm二甲苯的响应值达到24，是纯NiO的15倍。传感器对50 ppb超低浓度二甲苯仍能产生明显信号，检测限远低于行业标准。在选择性实验中，该传感器对甲苯、苯、甲醛等干扰气体的响应值均低于二甲苯的30%，展现出卓越的选择性。此外，经过30天连续测试，传感器响应衰减小于5%，证明其具有优异的长期稳定性。

性能提升机制可归因于三方面：首先，p-n异质结形成的内建电场促进了载流子分离；其次，SnO₂的催化特性有效激活了二甲苯分子的甲基；最后，分级多孔结构为气体扩散提供了快速通道。这三者协同作用，实现了对二甲苯的高效检测。

结论

本研究通过溶剂热法成功构建了SnO₂/NiO异质结，系统探究了其对二甲苯的气敏性能。实验证明15 mol% SnO₂/NiO传感器具有显著增强的响应值、50 ppb的超低检测限、优异的选择性和重现性。p-n异质结的形成对二甲苯气敏性能具有重要影响，该研究为复杂环境中高性能VOC监测设备的开发提供了新思路。