量子点将如何推动化学气体传感器的未来发展

当前的气体传感器

自从1920年代中期发现气体传感器以来,在开发用于气体检测的创新传感器方面已经取得了重大进展。

气体传感器的一些更显着类型包括电化学,光学和化学电阻传感器。

由于其寿命短,电化学传感器的应用受到了限制,从而降低了它们的通用性,尤其是在气体传感方面。相比之下,光学传感器具有较高的灵敏度和选择性能力,以及快速的响应时间和足够的寿命,但由于其体积大、成本高,也存在局限性。

虽然化学电阻传感器的选择性不如光学传感器,但其生产成本要低得多,而且可以通过简单的方法制造。

推进QD化学气体传感器的发展

为了克服与传统化学气体传感器相关的一些局限性,人们已经进行了一些不同的尝试,研究某些QD如何创造更敏感和稳定的化学气体传感器。

胶体量子点(CQD)

像传统的量子点一样,胶体量子点(CQD)也是半导体纳米粒子。但是,CQDs的独特之处在于其在溶液相中的悬浮作用。这种CQDs的悬浮提供了强大的量子约束效应,随后增强了这些QDs的电子和光学特性,并提高了它们的吸收、发射和量子尺寸可调性。

到目前为止,CQDs已经被整合到光电探测器、环境传感器和各种发光器件中,其中一些包括LED或光致发光元件。

由于与CQDs作为传感材料相关的优势特性,最近的一项研究调查了这些QDs在检测环境氮氧化物(NO 2)水平中的用途。

在他们的工作中,使用了硫化铅(PbS)QD,因为它们曾被用于检测硫化氢(H2S)、甲烷(CH4)和氨(NH3)气体。应该指出的是,除了PBS,其他几种类型的CQD已经被调查作为气体传感器的有用性。其中一些材料包括氧化锌(ZnO)QD,例如,已经发现它对NO2和H2S都很敏感。

基于锡(II)氧化物(SnO)QD的传感器也被发现对NO2和H2S,以及乙醇和液化石油气(LPG)都很敏感。

2020年对PbS QD的研究发现,用这种材料开发的传感器能够在室温下检测NO2的含量,检测限约为十亿分之0.15(ppb)。

与目前市场上一些更先进的NO2传感器相比,这项研究中的研究人员提出,他们基于PbS QD的传感器可能具有更好的灵敏度能力。

金属氧化物QD

一些最广泛研究的电导率传感器材料是金属氧化物,因为它们具有理想的化学稳定性能,可用于这一应用。

为此,纳米尺度的新型金属氧化物结构,特别是金属氧化物QD的开发越来越受到关注。例如,在3-4nm尺寸范围内的氧化锡(IV)(SnO2)QD,与传统的SnO2传感器相比,已被发现表现出高达3倍的传感响应。

这种增强的传感响应被认为是SnO2 QD结构尺寸减小的结果,同时也是表面与体积之比增加的结果,具有优异的表面反应性。当应用于检测一氧化碳(CO)时,SnO2 QD也被发现对这种化学物质具有增强的吸附性,这是因为它们具有更大的表面积,允许更多的表面缺陷和氧空位。

金属硫属化物QD

金属硫属化物是包含一种或多种硫属元素的金属材料,例如硫(S),碲(Te)或硒(Se),由于其增强复合结构的电学和传感特性的能力而经常被设计为QD。

在最近的发现中可以发现金属硫属元素化物QD的一个示例,即通过在p型PbS QD和n型TiO 2纳米管之间形成耗尽层,传感结构内活性位点的浓缩物增加,可以更好地吸附气态物质在其表面上。发现该复合材料在室温下选择性地感测浓度高达百万分之100(ppm)的NH 3。

还发现,由硫化镉(CdS)量子点和氧化钴(Co 3 O 4)微球组成的硫族化物材料在检测H 2 S时可提供增强的感测响应和恢复时间。

CdS QD具有独特的化学稳定性,已使其掺入其他金属氧化物中,包括ZnO,SnO 2和氧化铟(In 2 O 3)。

当将绿光照射到这些复合结构中的每一个上时,发现它们的感测能力显着提高。

应该注意的是,硫族化物在结合到气体传感装置中是相对较新的材料。因此,应进行进一步研究以评估其在各种环境条件下的性能。

作者:Benedette Cuffari

本文收录图文如有侵犯您的权益,请联系我将予24小时内删除。

相关新闻