背景介紹
隨著雙碳發展戰略的實施，在節能減排過程中要使用傳感器對二氧化碳排放過程進行持續監測。在生產安全領域要對封閉工作場所的高濃度二氧化碳氣體進行監測，以免導致工作人員窒息。為滿足不同氣氛環境下二氧化碳的監測需求，需要采用可在大氣以及低氧甚至無氧環境下工作的二氧化碳傳感器。近年來金屬氧化物半導體氣體傳感器以其低成本、低功耗、高靈敏和響應快的優勢得到了研究者的關注，但反應機制研究尚未深入。
文章簡介
上海應用技術大學鄭丹教授和中國科學院上海微系統與信息技術研究所李昕欣研究員團隊開展了基于 MEMS 芯片的二氧化碳氣體傳感器研究工作。該成果以”CO2?sensing properties and mechanism of ZnMn2O4?nanotubes under air and inert conditions”為題，發表于?Journal of Materials Chemistry C，上海應用技術大學和中科院上海微系統所聯合培養研究生胡嘉豪、張濤為共同第一作者，陳瀅、鄭丹為本文通訊作者。該研究工作得到科技部國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金及上海市一帶一路等項目的支持。
本文以二氧化錳為前驅體合成了 ZnMn2O4?納米管，并將其負載于 MEMS 芯片上制成二氧化碳傳感器。ZnMn2O4?納米管平均直徑約為 100 nm。MEMS 芯片加熱區為一個直徑為 300 μm 的懸空加熱盤，在最佳溫度 175 °C 下工作時，功耗僅為 19 mW。為測試納米管的氣敏性能，本文分別在空氣和氮氣氣氛下對不同濃度的二氧化碳氣體進行了敏感測試，傳感器均展現了快速、可逆、可重復的良好響應。
由于 ZnMn2O4?納米管材料在空氣和氮氣氣氛下具有相似的敏感特性，其敏感原理與普通金屬氧化物氣敏材料有所不同。為探明反應機制，本文采用 X 射線衍射（XRD）、原位拉曼光譜（in-situ Raman）和 X 射線電子能譜（XPS）等手段進行了研究，根據 XPS 結果，對 Mn2p 軌道的擬合表明 ZnMn2O4?樣品中的 Mn3+?歧化為 Mn2+?和 Mn4+。原位拉曼光譜顯示反應過程中產生了新物質峰，可歸屬為 MnCO3?和 ZnMnO3。XRD 結果同樣表明，反應產生了 MnCO3?的特征峰。上述結果表明，ZnMn2O4?納米管與 CO2?發生了歧化反應，反應產物為 MnCO3?和 ZnMnO3。
研究結果表明，本文開發的基于 ZnMn2O4?納米管的二氧化碳傳感器具有功耗低、可在空氣和氮氣氣氛中工作的優勢，具有良好的應用前景。
圖文解析
| ▲ | 圖 1：(a-c)制備的 ZnMn2O4?納米管的 TEM 圖；(d) ZnMn2O4?納米管能譜圖。 |
| ▲ | 圖 2：(a) 二氧化碳傳感器的結構示意圖 (b) 有 ZnMn2O4?納米管的傳感器 SEM 照片；傳感器在空氣中 (c) 和氮氣中 (d) 對二氧化碳氣體的響應，工作溫度為 175°C。 |
| ▲ | 圖 3：采用 XPS，原位拉曼和 XRD 等方法研究了 ZnMn2O4?納米管與 CO2?敏感的反應機理 |
論文信息
- CO2?sensing properties and mechanism of ZnMn2O4?nanotubes under air and inert conditions
Jiahao Hu, Tao Zhang, Ying Chen*(陳瀅，中科院上海微系統所), Pengcheng Xu, Dan Zheng*(鄭丹，上海應用技術大學), Xinxin Li.
J. Mater. Chem. A.?，2022
http://doi.org/10.1039/D2TC00298A
作者介紹
- 胡嘉豪
現就讀于中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海應用技術大學和中科院上海微系統所聯合培養研究生，研究方向為 MEMS 氣體傳感器。
- 張濤
現就讀于中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海應用技術大學和中科院上海微系統所聯合培養研究生，研究方向為氣敏材料與氣體傳感器。
- 陳瀅
博士，副研究員。2010 年加入中科院上海微系統所傳感技術國家重點實驗室，從事 MEMS 生化傳感器的研發、微納加工以及敏感機理等研究。主持和參與了科技部重點研發項目、國家自然科學基金項目、中科院儀器研制項目等十余項。2018 年一項發明專利授權給國內氣體傳感頭部企業，已實現 MEMS 氣體傳感器量產制造。在?Nano Letters, Sens. Actuators B Chem., Anal. Chem., J. Mater. Chem. C, ACS Appl. Mater. Interfaces?等期刊上發表 SCI 論文 30 余篇，授權專利10 余件。
- 許鵬程
博士，副研究員。主要從事 MEMS 微納傳感器及科學儀器方面的相關研究，研究領域涉及材料、分析技術、MEMS 芯片以及儀器儀表等多門類交叉學科。在?Nano Letters, Anal. Chem., Small, J. Phys. Chem. Lett.?等期刊上發表近百篇 SCI 檢索論文，在傳感技術頂級國際會議（包括 IEEE MEMS 和 Transducers）發表論文 40 余篇。
- 鄭丹
博士，上海應用技術大學化學與環境工程學院教授。本科、碩士、博士分別就讀于浙江大學、沈陽化工大學、中科院上海微系統與信息技術研究所，2001 年進入上海應用技術大學任教，并擔任應用化學專業碩士生導師。近年來在?J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces., Anal. Chem., Microsyst. Technol.?等知名雜志發表論文 60 余篇，公開與授權專利 6 項。近年主持和作為主要完成人承擔和參與包括國家自然科學基金等在內的科研項目 8 項。
- 李昕欣
博士，研究員，博導，國家杰出青年科學基金獲得者。從 2001 年起在中科院上海微系統與信息技術研究所任研究員。2005 年獲得上海市科技進步獎一等獎；2006 年度獲得上海市技術發明獎二等獎；2012 年獲國家技術發明二等獎。2009 年獲全國百篇優秀博士論文指導教師獎勵；2011 年入選上海領軍人才。李昕欣長期研究微納電子機械系統（MEMS/NEMS）和微納傳感器技術，是該領域國際知名的學者和國內的學術帶頭人之一。已授權和受理專利 100 余項，其中 20 多項已經授權轉讓給企業。有約 300 篇 SCI 論文發表在國際重要 SCI 期刊如?Nano Today, Nano Letters, Nat. Comm., J. Mater. Chem. A, Phys. Rev. Lett., IEEE Electron Device Lett., IEEE J Microelectromech. Syst., IEEE Trans. Electron Devices, Small, Adv. Func. Mat., Anal. Chem., J. Micromech. Microeng., Sens. Actuators B Chem. 上。李昕欣教授擔任 SCI 期刊?J. Micromech. Microeng., Sci. Rep., Microsyst. Nanoeng., Micromachines?編委。
