科研动态 | 北京科技大学与日本东北大学合作研究《ACS Sensors》：带状单晶VO₂(B)实现室温高效气体检测

合作作者：Qiuyu Cheng（程秋雨），Lei Miao（苗磊），Peng Song（宋鹏），Qiuyu Jin（金秋宇），Ayahisa Okawa，Takuya Hasegawa，Kenta Hongo， Fu Tang（唐馥），Wenbin Cao（曹文斌），Te-Wei Chiu，Tohru Sekino，Shu Yin（殷澍）

作者单位：日本东北大学、北京科技大学、国立台北科技大学、北陆先端大学院大学、大阪大学

挥发性有机化合物（VOCs）广泛来源于工业生产、机动车尾气与日常生活，是典型的大气污染物，长期暴露会引发呼吸道损伤、头痛、肝损伤等健康风险，因此对其进行高灵敏度、高选择性、稳定可靠的实时监测已成为环境治理与公共安全领域的迫切需求。金属氧化物半导体（MOS）气体传感器因制备简单、成本低、集成度高，被广泛用于VOCs检测，但传统MOS材料通常需要在高温（200℃以上）条件下才能实现有效响应，不仅功耗高、易带来安全隐患，还会降低传感器的稳定性与选择性，难以满足低功耗、微型化、室温工作的现代应用要求。钒基氧化物（VOₓ）具有丰富可变的钒价态（V²⁺、V³⁺、V⁴⁺、V⁵⁺）与多样的晶体结构，在气敏、催化等领域展现出独特优势，其中一维V₂O₅纳米纤维因比表面积大、气体吸附位点多，被视为有潜力的气敏材料，但其仍存在工作温度高、选择性差、室温响应微弱等瓶颈。VO₂(B)作为一种亚稳相钒氧化物，具备室温气体响应的潜力，可显著降低传感器功耗，更适配微纳电子系统，但目前纯相VO₂(B)的可控制备难度大，易生成杂相，且其室温气敏机理、与传统V₂O₅材料的性能差异及内在作用机制尚不明确，严重限制了高性能钒基室温气体传感器的开发。

本研究以室温高性能乙醇气体传感为核心目标，围绕钒基氧化物材料的可控制备、结构形貌、气敏性能与微观机理展开系统性研究。首先采用两步水热合成策略，以商用五氧化二钒为原料，经过氧化氢预处理、水热反应制备出高结晶度、大长径比的一维V₂O₅纳米纤维，再以乙醇为还原剂，通过精准调控水热还原条件，将一维V₂O₅纳米纤维转化为纯相、高取向、带状形貌的VO₂(B)单晶，并借助XRD、Raman、XPS、FESEM、TEM及SAED等表征手段，详细分析两种材料的晶体结构、物相纯度、表面元素价态、微观形貌与暴露晶面，明确材料从V₂O₅到VO₂(B)的相变与形貌演变规律。在此基础上，将两种材料分别制备成电阻型气敏器件，在室温至200℃范围内系统测试其对乙醇、硫化氢、氨气、丙酮等典型气体的响应特性，重点对比分析响应强度、选择性、浓度线性关系、响应/恢复速度、循环重复性与长期稳定性，并量化评估VO₂(B)相对V₂O₅纳米纤维的性能提升幅度。最后，基于密度泛函理论（DFT+U）开展第一性原理计算，构建V₂O₅与VO₂(B)的(001)表面模型，计算乙醇分子在两种材料表面的吸附能、电荷转移量、成键特性以及O−H键裂解能垒，结合电荷密度差分、Bader电荷、COHP/COBI等分析方法，从电子结构、吸附行为与表面化学反应角度，揭示VO₂(B)在室温下对乙醇表现出超高响应与优异选择性的内在物理化学机制，最终为设计与开发低功耗、高选择性、可室温工作的新型钒基气体传感器提供可靠的实验依据与理论指导。

相关研究工作以“Superior Room-Temperature Gas Sensing Performance of Belt-like VO₂(B) over 1D V₂O₅ Nanofibers”为题发表在ACS Sensors上。

图1 本研究的实验流程图。

图2 五氧化二钒纳米纤维与B相二氧化钒的X射线衍射图谱(a,b)、扫描电镜图像(c,d)及选区电子衍射花样(e,f)。

图3 VO₂(B)对(a) H₂S (0.5–5 ppm)、(b) NH₃ (2.5–25 ppm)、(c)丙酮(10–100 ppm)和(d)乙醇(10–100 ppm)的气体传感动态响应曲线（插图：拟合结果）。

图4 (a) V₂O₅纳米纤维和(b) VO₂(B)在室温下对H₂S、NH₃、丙酮和乙醇的气体传感特性。(c)V₂O₅纳米纤维对乙醇（10–100 ppm）的动态响应曲线（插图：100 ppm 时的放大动态响应曲线）；(d) V₂O₅纳米纤维和VO₂(B)在室温下对100 ppm乙醇的响应对比。（(a)中显示的是绝对响应值。）

图5 乙醇在(a) Pmmn-V₂O₅和(b) C₂/m-VO₂(B)上的吸附电荷密度差和平面平均电子密度差图。黄色和青色区域分别表示电荷积累和耗尽，等值面水平为0.004 eV/ų。橙色、黑色、棕色和粉色球体分别代表V、O、C和H原子。