近日，材料學(xué)院/農(nóng)業(yè)工程學(xué)部喬冠軍教授團(tuán)隊(duì)在材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊Advanced Materials上在線(xiàn)發(fā)表了題為La Doped Mullite Bi?Fe?O? Chemiresistive Gas Sensor for Ultra High Selective Detection of Ethylene Glycol的研究論文。材料學(xué)院博士生趙玉立為論文第一作者，材料學(xué)院劉桂武教授、喬冠軍教授及機(jī)械學(xué)院青年教師王明淵博士為通訊作者。江蘇大學(xué)為論文唯一完成單位。
乙二醇（EG）作為關(guān)鍵的防凍劑和化學(xué)合成前驅(qū)體，其蒸氣的高效檢測(cè)對(duì)工業(yè)安全與環(huán)境監(jiān)測(cè)具有重要意義。然而，現(xiàn)有傳感器普遍存在選擇性差、穩(wěn)定性不足等問(wèn)題。針對(duì)EG揮發(fā)性低、吸濕性強(qiáng)等特性，該研究通過(guò)缺陷工程與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略，開(kāi)發(fā)出兼具高選擇性、高穩(wěn)定性和超低檢測(cè)限的EG傳感器，并進(jìn)一步集成了可穿戴智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
莫來(lái)石型Bi?Fe?O?具有無(wú)毒、成本低、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在可持續(xù)電子器件領(lǐng)域頗具潛力；其結(jié)構(gòu)中的有序氧空位通道也為氣體傳感提供了有利條件。該研究以Bi?Fe?O?為基底，通過(guò)高通量DFT計(jì)算，基于最小形成能篩選出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的La摻雜Bi?Fe?O?（La-Bi?Fe?O?），并利用分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)一步驗(yàn)證了其穩(wěn)定性。隨后，采用一步水熱法制備了La-Bi?Fe?O?材料。借助原子分辨率成像、微化學(xué)分析與DFT計(jì)算，研究證實(shí)La均勻摻雜于Bi位，有效提升了材料表面氧空位濃度和氣體吸附能力。氣敏性能測(cè)試表明，5%La摻雜的Bi?Fe?O?（BLFO-5）傳感器對(duì)EG表現(xiàn)出超高選擇性、優(yōu)異的重現(xiàn)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了極低的實(shí)際和理論檢測(cè)限。
結(jié)合原位紅外與DFT計(jì)算，研究進(jìn)一步揭示了EG在材料表面的催化氧化路徑：La摻雜促進(jìn)EG脫氫生成*CH?OHCH?O中間體，繼而經(jīng)Langmuir-Hinshelwood途徑完全氧化為CO?。最后，基于ESP32-C3微控制器構(gòu)建了可穿戴實(shí)時(shí)氣體監(jiān)測(cè)平臺(tái)，并在實(shí)際環(huán)境中結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，將氣體識(shí)別準(zhǔn)確率提升至96.8%。
該研究發(fā)展的高性能EG蒸氣檢測(cè)技術(shù)，可精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)設(shè)施農(nóng)業(yè)防凍系統(tǒng)、養(yǎng)殖場(chǎng)供暖設(shè)備的EG泄漏及EG基農(nóng)藥揮發(fā)，為防范土壤、作物及水源污染，保障人員與畜禽安全，提供了創(chuàng)新技術(shù)方案，有助于提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)合規(guī)性與食品安全管控水平。（材料學(xué)院 農(nóng)工學(xué)部）
論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202517585
