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利用超浸润现象制备具有二元纳米线结构的高性能气体传感器

纳米粒子组装是当前科研界热度持续上升的研究课题。研究者们相信,纳米粒子组装过程的深入研究将有助于揭开生命起源的面纱。近年来,纳米组装模式已经不仅局限于一元纳米材料的组装,二元、三元或者多元材料组装正逐渐成为新的研究热点。同时,这些纳米粒子组装体具有特殊的次级结构,次级结构的对称性、结构中纳米粒子的间距等均可被精确调节。因此,在二元或者多元纳米组装体中,对次级结构的精确调节将有助于激活不同种纳米粒子间的协同作用。新的组装体不仅具有组装单体的个体性质,而且具备超越个体性质的协同性能。

近年来,二元纳米粒子的组装结构大多局限于二维或者三维结构。二元二维组装体于1998年被首次报道,其主要构筑单元为贵金属纳米粒子。时至今日,金属氧化物、聚合物、生物分子均可被成功地组装成二元二维结构。二元三维结构的组装实现于2002年,其主要构筑单元为水溶胶、微孔氧化硅、三嵌段共聚物等纳米粒子。二元纳米组装体中,基于不同种纳米粒子间相互作用产生的协同效应不可忽略。例如,在由两种不同尺寸碲化镉量子点构成的组装体中,通过来自小尺寸量子点的长程共振能量转移,大尺寸量子点的荧光被大幅度增强。再如,若将金纳米粒子-磁性纳米粒子的二维组装结构应用于生物成像,其核磁共振影响的对比度将会被明显增高。因此,二元组装体将在催化、传感等领域大有前景。

利用超浸润现象制备具有二元纳米线结构的高性能气体传感器

相比于二维、三维结构的二元组装体,二元一维纳米组装过程极少报道。近年来,基于超浸润现象发明的一维结构“三明治”组装方法被成功应用于不同的构筑单元上,例如石墨烯片层结构、金属纳米粒子、半导体纳米晶等。然而,这些组装体全部是由单一构筑单元组成,对于一维纳米结构的二元组装体的研究仍处于空白状态。基于这一现状,澳大利亚蒙纳士大学(Monash University)蒋绪川教授领导的研究团队首次开发了氧化锡纳米粒子-金纳米棒的一维纳米线结构,其具体组装过程见图示。这种结构充分利用了两种构筑单元的个体优势以及它们之间的协同性能。氧化锡具有良好的气体传感性,当其被暴露在甲醇、乙醇、丙酮等有机蒸汽中,其电导率将会大幅度升高。金纳米棒具有良好的导电性和稳定性,是纳米电子器件中不可或缺的导体元件。二者的有机结合大幅度增加了氧化锡的导电性和气体传感能力。通过分子动力学模拟结果可知,在二元结构中,金纳米棒改变了局部电子分布,从而增强了结构表面对氧气、丙酮气体的吸附,降低了对水的吸附。因此,传感信号增强了高达25倍。同时,通过对组装过程中氧化锡纳米粒子和金纳米棒投料比的调控,二元一维结构的尺寸可以被精确调节。这种巧妙的设计将有助于未来开发对于多种气体有相应的纳米线阵列。相关工作得到了澳大利亚研究理事会的资助。部分实验设计得到了中国科学院化学研究所江雷院士的指导。该实验结果发表在smallDOI: 10.1002/smll.201601087)上。


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