新突破！吉林大学张彤教授团队最新SNB||基于双金属PtPd纳米催化剂功能化金属氧化物的无线气体传感平台：突破ppb级戊二醛检测
2026-01-15


研究背景：

 戊二醛作为临床医学中常用的消毒剂，具有高度挥发性，且环境允许浓度阈值为ppb级。开发一种用于低浓度戊二醛检测的高灵敏度、便携式气体传感平台至关重要。基于此，吉林大学张彤教授团队通过水热法合成了边长均匀（8.2nm）的方形PtPd纳米晶，随后将其引入到SnO₂纳米纤维中，获得了双金属PtPd纳米催化剂（NCs）功能化的SnO₂纳米纤维（NFs）。基于该材料制备的化学电阻式传感器实现了低浓度戊二醛的快速检测。

研究亮点：

  • 报道了双金属PtPd纳米催化剂功能化的SnO₂纳米纤维。

  • PtPd-SnO2-1传感器对100 ppm的戊二醛展现出8.48的高响应值。

  • 设计了一种用于实时检测戊二醛的无线传感平台。

  • DFT计算表明，双金属掺杂可增强敏化效应。


研究内容：

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图1. (a) PtPd-SnO₂合成过程示意图。PtPd NCs：(b) TEM图，(c)HRTEM图，(d-f) EDS元素映射图，(g) XRD图。(h) 所有样品的XRD图。

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图2. (a1) SnO₂、(a2) PtPd-SnO₂-0.5、(a3) PtPd-SnO₂-1、(a4) PtPd-SnO₂-1.5的SEM图。PtPd-SnO2-1的表征：(b1) SAED图，(b2) HRTEM图，(b3) TEM图，(c1-c4) EDS元素映射图。

图3. SnO₂、PtPd-SnO₂-0.5、PtPd-SnO₂-1及PtPd-SnO₂-1.5的(a) Sn 3d和(b) O 1s XPS谱图。PtPd-SnO2-1的(c) Pt 4f和(d) Pd 3d XPS谱图。

气敏性能测试：

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图4. (a) 传感器在220–260°C下对100 ppm戊二醛的响应。(b) PtPd-SnO₂-1传感器与SnO₂传感器在240°C下对100 ppm戊二醛的响应恢复曲线。(c) 传感器在240°C下对10至300 ppm戊二醛的响应关系。(d) 传感器在220–260°C下对100 ppm戊二醛的电阻值。(e) 所有传感器在240°C下对10–300 ppm戊二醛的动态响应曲线。(f) PtPd-SnO₂-1传感器在240°C下的八次循环重复性。 (g) PtPd-SnO₂-1与SnO₂传感器在240°C下对多种气体的选择性响应。(h) 传感瞬态响应，以及(i) PtPd-SnO₂-1传感器在不同相对湿度条件下（设定温度：25°C）对50ppm戊二醛的响应与基线电阻值。

传感机制：

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图5. 传感机制示意图(WM：金属功函数；WS：半导体功函数；χ：电子亲和能；EC：导带；EFM, EFN：费米能级；EV：价带)。

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图6. 戊二醛吸附后(a) PtPd-SnO₂ (110)、(b) Pd-SnO₂ (110)、(c) Pt-SnO₂ (110)及(d) SnO₂ (110)的结构优化结果。 (e) PtPd-SnO₂在(110)晶面2D平面中的电荷分布。(f) PtPd-SnO₂-(110)晶面的电荷密度差。(g) PtPd-SnO₂和(h) Pt-SnO₂的态密度。

传感器实际应用开发：

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图7. (a) 戊二醛传感器预警平台的检测装置。 (b) 电路设计示意图。(c) 电路可靠性测试。(d) 无线终端测试曲线示意图。

总结：

 该研究开发了一种基于均匀分散的尺寸约为8.2nm的PtPd NCs功能化的一维SnO₂纳米纤维的化学电阻式戊二醛传感器。PtPd-SnO2-1传感器在240°C下对100 ppm戊二醛展现出高达8.48的响应值，几乎是原始SnO2传感器的三倍。同时，还具有快速响应和恢复时间（2s/28s）、卓越的稳定性，以及低至10.7 ppb的理论检测限。DFT计算表明，与单金属Pt或Pd修饰的SnO2相比，PtPd-SnO2对戊二醛具有更强的吸附作用。PDOS和Bader电荷分析揭示了Pd掺杂对PtPd-SnO₂中d带中心及界面电子转移的影响。这些增强的气体传感性能可归因于化学敏化、电子敏化、双金属PtPd纳米晶体的协同效应，以及一维PtPd-SnO₂纳米纤维的结构优势。此外，还设计了一套无线预警平台用于实时监测戊二醛浓度，该装置可通过蓝牙将信号传输至个人终端设备。因此，该传感器被认为是环境应用中检测戊二醛的极有前景的候选者。