上海大学：在氧化锡表面构建完全暴露的Ir团簇以实现高灵敏度和高稳定性的氢气传感
在气体传感领域，贵金属修饰的半导体金属氧化物因其优异的性能而备受关注。然而，传统合成方法常导致金属颗粒在材料表面聚集，形成较大尺寸的纳米颗粒，从而影响其活性和稳定性。为此，研究人员尝试引入非晶态贵金属纳米片，将其负载于金属氧化物上，以提升传感性能。然而，这类结构往往存在金属片与载体之间结合力较弱的问题，影响其可及性与结构稳定性。
团簇结构因其高比表面积和丰富的活性位点，在催化和传感领域展现出独特优势。相较于传统方法制备的团簇，它们在合成和使用过程中更易发生聚集或溶解，限制了其在实际传感器中的应用。为解决这一问题，研究团队提出了一种基于硝酸钾辅助的合成策略，在氧化锡纳米棒表面成功锚定完全暴露的铱团簇。实验结果表明，这种结构在高温环境和长期测试中表现出显著的催化活性和结构稳定性，为高灵敏氢气传感器的开发提供了新思路。
研究亮点
- 引入硝酸钾作为辅助剂，诱导铱以尺寸小于1纳米的团簇形式高度分散并暴露于氧化锡表面。
- 制备出的铱团簇呈现出显著的单分散状态，有效提升材料的可及性与气体传感性能，且在高温处理后仍保持结构稳定。
- Clu-Ir/SnO₂传感器对氢气表现出优异的响应特性：在4000 ppm浓度下响应值达46，响应/恢复时间分别为4.6秒和3.7秒，且具备长达60天的稳定性。
研究背景与内容
近日，上海大学理学院徐甲强教授与薛正刚副教授团队在《Rare Metals》上发表了题为“Engineering fully-exposed Ir clusters on tin oxide surface for highly sensitive and stable H2 sensing”的研究文章。该研究通过KNO3辅助方法，在SnO2纳米棒表面构建了高度分散且活性优异的Ir团簇，显著提升了氢气传感的灵敏度和稳定性。
研究团队发现，与传统贵金属纳米颗粒相比，Ir团簇更不易在高温下迁移或团聚，因此可以更有效地提升传感器的性能。实验结果显示，所构建的Clu-Ir/SnO₂传感器不仅具备出色的灵敏度，还能在长时间使用后保持Ir物种的高分散状态。通过原位拉曼光谱、准原位XPS和H2-TPR等手段，研究人员进一步揭示了Ir团簇的敏化机制，包括氧分子的活化、氢气吸附与转化、以及电子在SnO₂中的高效传输。
图文解析
图1展示了SnO₂、NPs-Ir/SnO₂和Clu-Ir/SnO₂的结构特征。通过TEM和HAADF-STEM等表征手段，可以清晰观察到Ir团簇在SnO₂表面的高度分散状态，其尺寸小于1纳米，且分布均匀。
图2提供了材料的晶体结构和表面化学信息。XRD结果表明SnO₂为标准四方相结构。XPS分析进一步确认了Ir的存在形态，并揭示了Ir与SnO₂之间的强电子相互作用，有利于提升材料的稳定性。此外，Clu-Ir/SnO₂表面氧空位和吸附氧的含量显著增加，增强了传感反应活性。
图3对比了三种传感器的氢气传感性能。Clu-Ir/SnO₂在响应值、响应/恢复时间、浓度-响应线性关系以及长期稳定性方面均优于其他两种结构。实验数据表明，该传感器在60天内保持高度稳定，证实了Ir团簇在高温和长期测试中的优异性能。
图4评估了传感器在不同湿度条件下的性能及其抗干扰能力。结果表明，该传感器具有良好的湿度稳定性，且对氢气表现出优异的选择性。与现有技术相比，其在检测范围和响应恢复时间方面具备显著优势。
图5揭示了传感器的气体敏感机制。通过准原位XPS、原位拉曼及H₂-TPR分析发现，Ir团簇在传感过程中促进了氧分子的活化、氢气的吸附与转化，同时增强了电子向SnO₂的传输。实验还发现，在氢气环境中，SnO₂的拉曼峰发生明显偏移，进一步验证了Ir团簇在催化和传感中的关键作用。
审核编辑：黄宇