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扬州大学张超教授：富氧空位工程优化MoO3微米带实现室温ppb级三甲胺检测精选

已有 2553 次阅读 2025-6-25 10:10 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Wu K, Xu Z, Xu K, et al. Oxygen vacancy-rich engineering optimized molybdenum trioxide microbelts for room-temperature ppb-level trimethylamine detection. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221102

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221102

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/392156857_Oxygen_vacancy-rich_engineering_optimized_molybdenum_trioxide_microbelts_for_room-temperature_ppb-level_trimethylamine_detection

1、导读

该工作设计了用于室温气体传感的富氧空位MoO₃微米带，实现了优异的三甲胺（TMA）传感性能，包括显著的高响应、快速响应/恢复、高选择性、低检测限（400 ppb）和可靠的工作稳定性。实验和密度泛函理论研究表明，可控的氧空位有助于调控MoO₃的表面活性与界面电子转移效率。此外，所开发的便携式TMA定量检测装置，可实现快速、无损的鱼类新鲜度检测。该研究为通过优化界面氧化还原动力学设计高性能气体传感器提供了新的视角。

2、研究背景

三甲胺（TMA）是一种具有特殊腥臭味的有害气体。在TMA浓度低于10 ppm的环境中停留10分钟以上就会对人体造成严重危害；变质的水产品和肉类也会释放一定浓度的TMA，10 ppm被推荐作为评估是否变质的标准；此外，肾功能受损和三甲胺尿症患者无法有效代谢三甲胺，会导致TMA浓度变化，并通过呼吸释放腥臭味。因此，TMA也可作为一种生物标记物，用于无创诊断肾脏疾病和三甲胺尿症。综上，开发可靠、快速的TMA检测技术对于健康评估和环境保护是非常必要的。

高效检测并识别有害气体的化学电阻式气体传感器在众多应用中至关重要。对于金属氧化物半导体，较高的工作温度（200-500 ^oC）带来了出色的传感性能，但也导致了高能耗、安全性差以及运行稳定性不佳的问题。得益于成本效益高、结构简化以及集成多样性，室温（RT）操作模式已被提出并应用于气体传感器设备中。然而，室温气体传感器面临着气固表面弱相互作用的挑战，这将导致气体吸附效率和界面电荷转移效率下降，较难实现高灵敏、快速响应/恢复的室温VOCs传感。氧空位的引入及其与电子结构和界面氧化还原动力学的相关性对于金属氧化物半导体至关重要。因此，有望通过氧空位缺陷的调控以解决氧化还原反应动力学缓慢和吸附/脱附平衡调控复杂等问题。

3、文章亮点

（1）设计了可控氧空位介导的MoO₃微米带，用于高性能室温三甲胺传感器；

（2）利用氧空位调控电子结构和氧化还原动力学可实现独有、灵敏和快速的三甲胺检测；

（3）通过实验、DFT和MD研究揭示了增强的协同传感机制；

（4）设计了一种用于TMA生物标志物定量检测的便携式无线传感装置。

4、研究结果及结论

氧空位和一维纳米结构的协同强化策略，实现了室温三甲胺生物标志物的高效检测。富氧空位MoO_3-x（MoO_3-x-R）在22 ℃下表现出显著增强的TMA传感性能，包括高响应（0→7.6 @ 20 ppm）、快速响应/恢复速度（60/90 s）、出色的选择性、低检测限（LOD-400 ppb）和超过28天的运行稳定性。

图1 MoO_3-x微米带的制备示意图及其形貌、结构表征

图2 MoO_3-x微米带的XRD、FT-IR、Tauc-plots、XPS图谱和BET结果

图3 不同MoO_3-x材料的气敏性能

通过实验、DFT和MD研究，阐明了氧空位工程改善的电子结构、表面氧化还原和电荷转移动力学，揭示了室温气敏增强机理。相比于低浓度氧空位，富氧空位能够加速电荷转移，提高氧化还原能力，显著提高灵敏度和LOD；同时，有效平衡了吸附/脱附动力学，增强了MoO_3-x-R与反应物（TMA）的相互作用，减弱了其与产物（N₂+CO₂+H₂O）的相互作用，从而得到了更快的响应/恢复速度。

图4 MoO_3-x微带表面TMA传感过程模型，MoO_3-x-R和MoO_3-x-P的PL光谱及其在空气和TMA中的基线电阻值与变化；三种TMA吸附体系的几何结构和差分电荷密度

图5 MoO_3-x-R和MoO_3-x-P的VB-XPS光谱、价带位置、DFT计算的功函数及其能带结构；MoO_3-x-R和MoO_3-x-P的d带中心值与PDOS

图6 MoO_3-x-R、MoO_3-x-P和MoO₃的分子动力学模拟结果

验证了该传感器及其便携式传感样机的实用性。现场检测试验表明，该样机具有定量监测TMA和快速无损检测鱼类新鲜度的能力。这项工作将为高性能VOCs传感器的开发提供实验基础。

图7 实验室检测系统：MoO_3-x-R对鱼肉挥发性气体的线性响应、检测结果的PCA与LDA结果；便携式传感器设备：实物与APP界面、顶空采样和检测示意图、浓度校准与现场检测在20℃下保存72小时的鳕鱼（30 g）

5、作者及研究团队简介

通讯作者：张超 扬州大学机械工程学院院长、教授、博士生导师。主持国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项、国家自然科学基金（3项）、军委装备发展部快速扶持项目、江苏省海洋科技创新专项、江苏省杰出青年基金等项目。入选江苏特聘教授，江苏省“333工程”第二层次人选，江苏省“六大人才”高峰高层次人才等。以第一/通讯作者在国际期刊发表SCI论文100余篇，他引6000余次，授权发明专利10余件，编著研究生教材1部、专著1部。担任Journal of Advanced Ceramics（中国科学院一区）、材料保护和扬州大学学报（自然科学版）编委。获得2018年江苏省教育教学与研究成果奖（高校自然科学研究类）三等奖（R1），2020年中国材料研究学会科学技术奖二等奖（R1），2022年陕西省自然科学奖二等奖（R3）和2023年江苏省高等学校科学技术研究成果奖（R1）。

个人主页：http://researcherid.com/rid/B-9343-2008

第一作者：吴凯迪 扬州大学机械工程学院讲师、师资博士后。主要研究方向为金属氧化物纳米材料的设计、表界面催化与气体传感器。主持国家自然科学青年基金1项、江苏省自然科学青年基金1项；入选国家博士后海外引才专项、江苏省“科技副总”。近年来，以第一作者在Journal of Advanced Ceramics、ACS Sensors、Sensors and Actuators B: Chemical、Chemical Engineering Journal等期刊上发表SCI论文12篇，总引超1200次，H指数18；获授权发明专利3项；获2023年度江苏省高等学校科学技术研究成果奖二等奖（R2）、2020中国材料研究学会科学技术奖二等奖（R4）；任IARIA国际传感器技术与应用会议技术委员会委员，扬州市工程师学会副秘书长。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）Xu K, Han M, Zheng Z, et al. Well-designed g-C₃N₄ nanosheet incorporated Ag loaded Er_0.05La_0.95FeO₃ heterojunctions for isoamyl alcohol detection. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(6): 736-745. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220892

2）Zhou Y, Luo Y, Zheng Z, et al. Urchin-like Na-doped zinc oxide nanoneedles for low-concentration and exclusive VOC detections. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(4): 507-517. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220873

3）Zheng Z, Liu K, Zhou Y, et al. Ultrasensitive room-temperature geranyl acetone detection based on Fe@WO_3−x nanoparticles in cooked rice flavor analysis. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(8): 1547-1561. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220771

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续4年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。