徐国宝/陈卫等人Anal. Chem.：MOF衍生的1D CuO纳米椭球检测二乙胺气体

研究内容

环境和健康监测需要低成本、高性能的二乙胺(DEA)传感器。基于金属有机框架(MOFs)的材料可以检测有害气体，因为它们的比表面积大，金属位点多，不饱和位点多，功能连接，并且易于煅烧以去除支架。然而，开发在恶劣环境中具有高灵敏度和高选择性的简单材料，在室温(RT)下以低检测限(LOD)进行精确的DEA检测是具有挑战性的。

尽管取得了有希望的结果，但由于目标气体选择性低，铜基金属氧化物传感器经常无法实现出色的气体检测能力。因此，为了提高灵敏度和选择性，必须制备具有多孔结构和高表面活性的CuO。CuO传感性能依赖于表面化学吸附，需要控制材料结构和形态，以结合高迁移率电子传输、表面缺陷、纳米结构和高表面体积比，使分析物气体能够进入丰富的活性位点。为了解决这些问题，在空气/惰性环境中的高温煅烧会热分解有机连接和氧化的金属节点，形成化学和耐热的多孔MOS结构。金属有机框架(MOFs)是通过金属离子或簇与有机配体共价键合形成的多孔MOS材料，具有重要的化学组成和孔工程可调性。MOF材料在广泛的应用中进行了大量的研究，包括化学传感器、气体储存、分离和催化。因此，MOFs由于其巨大的表面积、清晰的孔结构、高金属含量和独特的气体吸附能力，包括功能化的位点和迷人的特征，如铁电性、磁性和导电性，正在探索其作为选择性气体传感器的可能应用。

中国科学院长春应用化学研究所徐国宝、陈卫和Yiran Guan 使用简单的溶剂热工艺合成了p型半导体多孔CuO x 传感材料，并在氩气气氛中在三个不同温度(x=400、600和800°C)下退火。当退火温度升高时，注意到颗粒尺寸、比面积、微晶尺寸和形状的显著变化。在400°C下退火的CuMIL-53(CuO-400)具有典型的纳米椭球(NE)形状，长度为61.5 nm，直径为33.2 nm。令人惊讶的是，CuO-400纳米颗粒对DEA表现出优异的响应，具有超LOD(R g /R a =7.3@100 ppb，55%相对湿度）、优异的选择性和灵敏度(R g /R a =236@15 ppm)、优异地长期稳定性和重复性以及在RT下的快速响应/回收，优于大多数先前报道的材料。相关工作以“ Ultrafast Response and High Selectivity of Diethylamine Gas Sensors at Room Temperature Using MOF-Derived 1D CuO Nano-Ellipsoids ”为题发表在国际著名期刊 Analytical Chemistry 上。

研究要点

要点1. 使用简单的溶剂热工艺合成了基于Cu-MOFs(Cu-MIL-53)衍生的p型半导体多孔CuO x 传感材料，并在氩气气氛中在三个不同温度(x=400、600和800°C)下退火。当退火温度升高时，注意到颗粒尺寸、比面积、微晶尺寸和形状的显著变化。

要点2. 当退火温度升高时，注意到颗粒尺寸、比面积、微晶尺寸和形状的显著变化。在400°C下退火的CuMIL-53(CuO-400)具有典型的纳米椭球(NE)形状，长度为61.5 nm，直径为33.2 nm。CuO-400纳米颗粒对DEA表现出优异的响应，具有超LOD(R g /R a =7.3@100 ppb，55%相对湿度）、优异的选择性和灵敏度(R g /R a =236@15 ppm)、优异地长期稳定性和重复性以及在RT下的快速响应/回收，优于大多数先前报道的材料。

要点3. CuO-400纳米颗粒由于其高孔隙率、1D纳米结构、不饱和Cu位点(Cu + 和Cu 2+ )、大比表面积和大量氧空位而具有突出的气敏特性。

这项研究提出了一种从Cu-MOFs敏感材料中生产未来CuO的通用方法，揭示了设计用于RT环境监测的有效传感器的新见解。

研究图文

图1. 用于检测DEA的CuO x 合成工艺示意图。

图2.（A）CuO-200、CuO-400 NE、CuO-600和CuO-800的XRD；（B）CuO-MIL-53和CuO-400纳米颗粒的FTIR。

图3.（a）CuO-400 NE的SEM、（b-f）CuO-400 NEs的TEM和HRTEM、（g）SAED、（h-j）STEM-HAADF和元素图谱。

图4.（a）从RT到100°C，Cu-MIL-53、CuO-400 NE、CuO-600和CuO-800对5 ppm DEA的传感响应。（b）CuO-400纳米颗粒对DEA和干扰气体在室温下对30和15 ppm的选择性。。

图5.（a）Cu-MIL-53、CuO-400 NE、CuO-600和CuO-800在RT下对不同浓度的DEA(0.1-15 ppm)的动态响应以及（b）对不同浓度DEA的相应值。（c）Cu-MIL-53、CuO-400 NE、CuO-600和CuO-800在最佳温度下对固定浓度(5 ppm)DEA的响应的再现性以及（d）CuO-400在室温下对5 ppm DEA的28天内的长期稳定性。

文献详情

Ultrafast Response and High Selectivity of Diethylamine Gas Sensors at Room Temperature Using MOF-Derived 1D CuO Nano-Ellipsoids

Altaf Hussain, Baohua Lou, Fuad Abduro Bushira, Shiyu Xia, Fangshuo Liu, Yiran Guan,* Wei Chen,* Guobao Xu*

Anal. Chem.

DOI: https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c02890