科研進展

                過程工程所開發甲醛傳感與治理高性能新材料

                文章來源:發布時間:2022-09-19打印】【關閉

                  甲醛傳感器的靈敏度和檢測下限是其檢測水平的重要標準。近日,過程工程所材料與環境工程研究部陳運法課題組開發出利用鈰元素摻雜一氧化錫、二氧化錫(SnO/SnO2)的異質結材料。該材料在較低溫度(160 oC)下對甲醛具有22.4/5ppm的靈敏度,有望應用于空氣甲醛污染的在線實時檢測。該工作于9月10日發表在Sensors and Actuators B Chemical(DOI:10.1016/j.snb.2022.132640)上。

                  甲醛是一種常見的室內空氣污染物,它主要來源于裝飾裝修材料中粘結劑的緩慢釋放,對人體健康造成極大危害。2023年2月1日起實施的新國標(GB/T 18883-2022)將其最高允許濃度從0.10 mg/m3調整為0.08 mg/m3。電化學傳感器法是目前對甲醛氣體的檢測方法之一,但目前面臨著檢測下限不夠低以及抗干擾能力差的問題。因此,亟需可實時掌握空氣污染狀況、充分去除甲醛污染的快速檢測與高效治理技術。

                  研究團隊早期發現,半導體氧化物材料中的晶體缺陷對其氣敏性能起決定作用(ACS Sensors, 2018, 3(11): 2385-2396;Sensor Actuat B-Chem, 2020, 319: 128078),摻雜元素與異質結構則極大地影響傳感器的選擇性(ACS Appl Mater Inter, 2020, 12(1): 1270-1279;Sensor Actuat B-Chem, 2021, 345: 130412)?;谶@些研究基礎,本研究中利用具有催化性能的鈰元素對氧化錫材料進行摻雜,并原位調控生長n型氧化錫與p型氧化亞錫的異質結構,從而實現了氣敏材料同時具有低達70 ppb的檢測下限及優良的抗甲醇、乙醇、丙酮等氣體干擾的能力。

                  圖1. 甲醛氣敏響應靈敏度(a)與選擇性(b)

                  原位紅外光譜分析表明,氣敏材料的敏感機理在于在合適的溫度下,甲醛在材料表面有效地吸附與反應,產生足夠的中間產物,從而引起材料產生較強的響應信號。而在低溫下,表面反應不夠充分,響應信號弱;在高溫下,表面反應太過劇烈,中間產物壽命極短,也不足以產生強響應信號。

                  圖2. 甲醛在氣敏材料表面反應的原位紅外光譜圖。1358處為二亞甲氧基,1564與2963處為甲酸根,1645與1288處為碳酸根,2359與2330處為二氧化碳

                  此外,團隊還研究出高效催化分解氣態有機污染物的錳氧化物系列材料(Appl Catal B-Environ, 2015, 162: 110-21),高效催化分解臭氧的p型半導體催化材料(Appl Catal B-Environ, 2019, 241: 578-587),以及利用臭氧氧化二價錳離子制備室溫催化分解甲醛催化劑的新技術(202210802668.2)。在此基礎上與小米公司合作開發的室溫同步除甲醛除臭氧材料,已實現規模量產與技術轉讓,應用于其米家空氣凈化器。這些技術可實現將甲醛氧化成為二氧化碳和水,杜絕二次污染。

                  該系列研究為室內空氣甲醛污染的快速檢測與高效治理提供了技術支持。樊桂君博士為相關論文第一作者,陳運法研究員與韓寧研究員為通訊作者,工作得到了“十三五”國家重點研發計劃項目(2016YFC0207100)支持。

                  論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400522012837?via%3Dihub

                  (材料與環境工程研究部)

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