对超微量丙酮气体具有高响应、高选择性的新型气敏材料传感器

Based on our recent research results, we plan to explore the novel sensors for highly sensitive, selective, stable-working detection of the acetone with superlow concentration. We plan to investigate the Pd: SmFeO3 based system, looking for the optimal content of Pd doping and the optimal preparation conditions. We shall study the sensing properties (including sensitivity, optimal working temperature， response and recovery times, stability after long-time working) and selectivity of the sensors to superlow concentration acetone under various relative humidity (especial high humidity). Meanwhile, we also study the effect of appropriate substitution of Fe by Mg, Co and Zn elements in Pd: SmFeO3, in order to decrease the resistance of sensors. We also explore the sensing properties to superlow concentration acetone of other rare earth iron based perovskite oxides doping with minor Au and Pt, looking for other novel sensors. We shall investigate the mechanisms of gas sensing and selectivity to acetone for rare earth iron perovskite oxides with Pd doping. This project is of not only scientific interests but also potential application in easy diagnosis of diabetes by breath analysis.

在近期初步研究成果的基础上， 本项目拟研发在不同湿度下，对超低浓度丙酮具有高灵敏响应、高选择性、高工作稳定性的微量贵金属掺杂稀土铁基钙钛矿氧化物新型丙酮气敏材料和器件。本项目拟以Pd：SmFeO3为主要研究体系，寻求最佳Pd掺量以及最佳制备工艺， 研究材料传感器在不同湿度（特别是高湿度）环境下对超低浓度丙酮以及各类干扰气体的响应特性（灵敏度、最佳操作温度、响应恢复时间、长时期工作稳定性等）及气体选择性。并利用Mg, Co, Zn等元素适量替代Fe以降低材料电阻，并进一步提高材料对丙酮的气敏性能。探索微量Au、Pt掺杂的各类稀土铁基钙钛矿氧化物对超低浓度丙酮的气敏响应，以开拓新的传感材料体系。本项目还将探索研究掺杂贵金属稀土铁基氧化物材料对丙酮的敏感机理。 本项目不仅具有科学研究意义， 而且在糖尿病呼吸气体诊断方面具有很强的应用前景。

医学报告已经说明糖尿病患者呼吸口气中一般含有高于1.8ppm浓度的微量丙酮。 通过检测呼吸口气中的微量丙酮可望产生新的无痛诊断方法。 而微量丙酮传感器成为解决问题的关键。 本项目研发了对超低浓度丙酮具有极高灵敏度以及选择性的贵金属掺杂的稀土铁基氧化物基传感器件，实现了很高气敏性能。我们发现： 在240C下，3wt%Pd- SmFeO3器件对对0.5ppm丙酮的气敏灵敏度S达到7.21， 其响应-恢复时间均很短，分别为 4 秒和3 秒。 在高湿度40RH% 和80 RH%，其灵敏度S分别为 4.84 和3.25。利用800℃退火的LaFeO3纳米颗粒制备的传感器在260℃ 对0.5ppm的丙酮响应可达2.068, 其恢复和响应时间分别为62 s 和107 s。发现贵金属Pd 适量添加， 可使得Pa:SmFeO3以及Pd:LaFeO3体系对超低浓度丙酮的气敏灵敏度高于酒精， 从而使得其具有对丙酮的高选择性。 Pd:SmFe0.9Co0.1O3传感器件在220℃下对超低浓度0.5ppm的丙酮，最大响应灵敏度可达8.51，其响应时间和恢复时间分别为32 s和13 s。Pd: SmFe0.9Mg0.1O3 在220℃时对超低浓度0.5ppm的丙酮的最大气敏灵敏度为7.16。而2%Au：SmFe0.9Zn0.1O3在200℃时对超低浓度0.5ppm的丙酮的气敏灵敏度可达9.28， 其对0.1 ppm以及0.01ppm丙酮气敏灵敏度可达3.39和1.78。对于含YbFeO3-Yb2Fe3O7 混合相， 我们观察到类似n-型气敏响应的性质， 这主要归因于丙酮分子打破了Yb2Fe3O7的电荷有序态。我们还探索了掺杂贵金属稀土铁基氧化物材料对丙酮的敏感机理。Pd在钙钛矿稀土铁基氧化物重要是以PdO和金属Pd的形式存在的，半导体材料中 PdO 的数量远远高于Pd0，“费米能级控制”效应在丙酮气敏效应增强过程中可能占主导作用。我们还对LaFeO3 （010）晶面与丙酮分子的微观作用进行了第一性原理计算， 丙酮分子可以通过吸附在预吸附氧（O） 上或者取代材料表面的预吸附氧（O2） 的方式与吸附在材料表面上氧元素发生反应，丙酮失电子给材料表面， 支持了实验结果。 本项目所得结果不仅具有科学意义， 而且在糖尿病呼吸气体诊断方面具有很强的应用前景。