重点实验室过渡金属掺杂实现爆炸物气氛快速识别检测

        爆炸物检测对于反恐防暴和维护国家安全具有重要意义。爆炸物分为两大类,即制式及非制式。因二者的饱和蒸气浓度均较低,难以实现对其气氛检测。因此,制备高灵敏度响应的气敏材料对于爆炸物气氛检测具有重要意义。近年来,一系列理论及实验结果表明,金属氧化物掺杂能够提高材料对目标分子的响应大小,其原因归结于表面缺陷的存在。然而,掺杂对气敏材料响应快慢的影响鲜有研究。众所周知,快速响应的传感器才能实现爆炸物的现场检测需求。因此,能否可以通过元素掺杂调控材料结构和表面缺陷,从而实现对爆炸物气氛的快速超灵敏检测具有重要研究价值。

  近期,新疆爆炸物安全科学重点实验室科研人员为了探究气敏响应快慢与材料的结构和表面缺陷的关系,采用溶胶-凝胶法制备了富含表面缺陷的氧化锌(ZnO)纳米颗粒。通过电子顺磁共振表征发现,纳米颗粒的表面缺陷浓度与气敏响应大小存在重要联系,证明单电子氧空位对气敏性能起决定性作用。同时,过渡金属掺杂使得ZnO纳米颗粒中心的外部产生了一个局部电荷聚集层,能够显著缩短对爆炸物气氛的响应时间和回复时间。以该过渡金属掺杂的ZnO纳米颗粒为敏感膜组成的气体传感器阵列对室温下硝基爆炸物饱和蒸气和两种非制式爆炸物原料的蒸气均表现出良好的响应与区分能力,可以在13秒内将9.1 ppb的三硝基甲苯(TNT)和4.9 ppt的黑索金(RDX)从高浓度的结构类似物,如12.5%的苯,3.85%的甲苯和394.7 ppm的硝基苯中很好的分辨出来。通过与近年来相关文献报道比较发现,该传感材料的响应速度和大小能与目前世界上最灵敏的爆炸物气氛传感材料相媲美。
  该研究工作首次通过掺杂将材料的结构和响应速度联系起来,为传感器的实用化提供有力的保障。
  相关研究成果发表在Small上。该工作得到了国家自然科学基金、中科院“百人计划”、新疆维吾尔自治区杰青等项目的资助。
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过渡金属掺杂ZnO纳米颗粒对爆炸物气氛的快速响应机理图

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