近日，材料与化学工程学院杨玄宇研究员课题组在知名期刊《ACS Sensors》（中科院一区 TOP 期刊，影响因子 10.9）发表题为 “Electronic Coupling and Defect Engineering in Pd–HPW–ZnO Ternary Heterostructures for Ultrasensitive Triethylamine Detection”（《Pd-HPW-ZnO 三元异质结构的电子耦合与缺陷工程实现超灵敏三乙胺检测》）的研究论文。材料与化学工程学院硕士研究生曹晨阳为第一作者，杨玄宇研究员和张永辉教授为论文共同通讯作者。
针对传统金属氧化物半导体传感器用于挥发性有机化合物（VOCs）检测时普遍存在灵敏度不足、界面反应动力学迟缓、工作温度偏高等瓶颈，且单一组分修饰往往面临性能提升收益递减的难题，团队提出三元协同电子调控新策略，通过水热法结合原位还原工艺，可控构建磷钨酸（HPW）团簇与 Pd 纳米颗粒共修饰多孔 ZnO 纳米片的三元异质结构（Pd-HPW-ZnO），实现对三乙胺（TEA）的高灵敏、快速、稳定检测。最优样品在 110 ℃低工作温度下，对 50 ppm 三乙胺的响应值高达 2016.70，是纯 ZnO 的近 60 倍；响应 / 恢复时间仅 16 s/150 s，同时具备优异的抗干扰选择性、长期稳定性与湿度耐受性，综合性能显著优于已报道的同类传感材料。
系统表征与密度泛函理论（DFT）计算证实，HPW 作为分子级 “电子海绵”，通过强电子金属 - 载体相互作用（EMSI）建立稳固电子耦合网络，诱导 ZnO 载体与 Pd 纳米颗粒的电子耗尽，形成缺电子 Pdδ+活性位点；该电子调控效应显著优化 Pd d 带中心位置，同时协同诱导表面氧空位大幅富集（浓度达 40.09%），促进 HPW 表面生成的高活性氧物种向 ZnO 溢流，显著提升表面反应活性。此外，缺电子 Pd 位点通过反向电荷极化效应有效活化 C-N 键，降低反应活化能，协同实现超快响应动力学与高选择性。本工作清晰揭示了多金属氧酸盐 - 贵金属 - 半导体三元体系的界面电子调控规律与缺陷协同机制，为面向化工园区、环境监测、食品安全等场景的低功耗、高可靠 VOCs 气体传感器开发提供全新材料设计思路与理论支撑。
此项研究成果得到了国家自然科学基金、河南省重点研发专项、河南省自然科学基金、河南省高校重点科研项目计划、河南省青年科学家专项等项目的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acssensors.6c02169
(通讯员：秦肖雲)