上海大学：构建高活性Ir团簇于SnO₂表面，实现高效且稳定氢气传感
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上海大学：构建高活性Ir团簇于SnO₂表面，实现高效且稳定氢气传感
上海大学理学院徐甲强教授与薛正刚副教授团队近期在国际期刊《Rare Metals》上发表了最新研究成果，题为“Engineering fully-exposed Ir clusters on tin oxide surface for highly sensitive and stable H₂ sensing”。该研究提出了一种基于KNO₃辅助合成策略的创新方法，成功在SnO₂纳米棒表面锚定完全暴露的铱（Ir）团簇，显著提升了氢气传感性能。
金属修饰型半导体金属氧化物常用于提升气体传感器的响应特性。然而，传统制备方法中，金属易在材料表面形成大尺寸颗粒，导致活性位点减少、稳定性下降。为克服这一问题，研究人员尝试引入非晶态贵金属纳米片以增强传感性能。尽管此类结构提升了活性，但其与载体的相互作用较弱，影响了长期稳定性。
团簇作为原子尺度催化剂，因其高比表面积、丰富活性位点及良好的热稳定性，成为研究热点。团簇与载体之间较小的接触角有助于增强界面作用，从而提升整体稳定性，避免高温下的团聚与烧结。然而，传统合成方法（如化学还原、电化学沉积等）所获得的团簇尺寸较大且容易发生溶解，限制了其在传感器领域的应用。
针对上述挑战，该研究团队开发了KNO₃辅助合成策略，成功在SnO₂纳米棒表面构建出高度分散、完全暴露的Ir团簇结构。这种结构在高温合成及气体传感过程中仍能保持优异的结构稳定性和催化性能。
通过原位拉曼、准原位XPS及H₂-TPR等多种表征手段分析发现，完全暴露的Ir团簇提供了大量活性位点，有效促进氢气的吸附与溢流过程，显著提升了氢气传感性能。
研究亮点
- 在合成过程中引入硝酸钾（KNO₃），可诱导Ir物种以尺寸小于1纳米的团簇形式高度分散于SnO₂表面。
- 所制备的Ir团簇表现出高度单分散特性，显著增强了材料的可及性与增敏能力，并在300°C高温空气中仍无明显聚集。
- Clu-Ir/SnO₂传感器表现出优异的传感性能，包括高响应值（46）、快速响应/恢复时间（4.6秒/3.7秒）以及长达60天的长期稳定性。
研究内容概述
在本研究中，上海大学团队通过KNO₃辅助合成方法，在SnO₂纳米棒表面成功负载了高分散、高活性的Ir团簇。该方法显著增强了传感器对氢气的探测能力。
研究发现，硝酸钾的引入有助于Ir物种以尺寸小于1 nm的纳米团簇形式锚定于SnO₂表面。Ir团簇与SnO₂之间形成了强电子相互作用，从而在300°C高温环境下保持结构稳定。所制备的Clu-Ir/SnO₂传感器在4000 ppm H₂浓度下的响应值达到46，响应/恢复时间分别为4.6秒和3.7秒，检测限低至1 ppm。
值得关注的是，该传感器在连续运行60天后仍表现出优异的稳定性，Ir团簇保持高度分散，未出现明显团聚现象。研究团队还通过多种表征技术揭示了Ir团簇的敏化机制，主要包括氧分子的捕获与活化、氢气的吸附与转化，以及电子在SnO₂中的优化传输。
图文解析
图1展示了SnO₂、Ir纳米颗粒修饰SnO₂以及Ir团簇修饰SnO₂的微观结构。通过HAADF-STEM图像可见，Ir团簇在SnO₂表面均匀分布，尺寸小于1 nm，且呈现良好的稳定性。
图2提供了材料的XRD、BET、XPS等物理化学表征结果。分析显示，SnO₂具有典型的四方相结构，Clu-Ir/SnO₂中Ir以Ir⁴⁺形式存在，且与SnO₂载体之间存在强电子相互作用。此外，Clu-Ir/SnO₂表面氧空位和吸附氧物种更加丰富，有助于提升传感反应活性。
图3对比了不同样品的传感性能。Clu-Ir/SnO₂传感器展现出优异的综合性能，包括高响应值、快速响应/恢复时间、良好的线性响应及出色的长期稳定性。
图4展示了传感器在不同湿度和干扰气体环境下的表现，揭示了其良好的湿度适应性和卓越的H₂选择性。
图5通过准原位XPS、原位拉曼和H₂-TPR等手段，进一步阐明了Clu-Ir/SnO₂传感器的气体传感机制。Ir团簇在氢气存在下促进电子转移、氧空位生成及氢氧反应，从而提升了传感器的灵敏度与稳定性。
审核编辑：黄宇
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