第一作者： Liang Zhao

通讯作者：张彤、刘森

通讯单位： 吉林大学

研究背景和内容

表面吸附氧介导的气体传感机制使传统的n型金属氧化物具备了所需的性能。然而，p型金属氧化物固有的高度活性晶格氧会增强气体传感性能，但这些物质的具体作用机制仍不明确。

在此，本文证明，在Co₃O₄中用Fe³⁺（0.84% wt.%）部分替换Co³⁺后，会激活晶格氧，从而展现出出色的丙酮传感性能。

研究要点

要点1.本文以掺铁的钴氧化物（Fe-Co₃O₄）作为模型材料，直接观察到活性晶格氧在气体传感过程中起主导作用，从而实现了优异的丙酮传感性能。优化后的1Fe-Co₃O₄传感器对100 ppm丙酮的响应值高达41.7，约为原始Co₃O₄（5.9）的6.07倍，同时具有出色的重复性、稳定性和选择性。

要点 2 . 研究表明， 引入Fe位点会导致铁向钴的电荷转移，有效地调节局部配位，并将Co ³⁺ 的自旋态从低自旋（LS）态（t _2g ⁶ e _g ⁰ ）提升至高自旋（HS）态（t _2g ⁴ e _g ² ）。光谱分析（XPS、O ₂ -TPD）和反应研究（丙酮-TPSR）表明，活性晶格氧被确认为活性位点，而非传统的吸附氧物种。

图1：（a）合成过程的示意图，（b）TEM图像，（c，d）HR-TEM图像，和（e-h）1Fe-Co₃O₄的EDX图谱。

图4：（a）不同传感器在不同工作温度下对20 ppm丙酮的响应值。（b）1FeCo₃O₄传感器在210 ℃下对100 ppm丙酮的响应-恢复曲线。（c）动态响应恢复曲线和（d）1Fe-Co₃O₄传感器在210 ℃下对10-100 ppm丙酮的线性相关线。（e）动态循环性能和（f）在210 ℃下1Fe-Co₃O₄传感器的长期稳定性。（g）1Fe-Co₃O₄传感器的选择性。（h）通过PCA方法进行模式识别，以分析对各种气体的选择性。

参考文献：Liang Zhao, Hongda Zhang, Yunpeng Xing. et al. Achieving Superior Acetone Sensing Performance of Fe-doped Co₃O₄: Modulating Spin State to Activate Lattice Oxygen. Advanced Functional Materials. (2026).

文献链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202532041