High-Performance H2S Sensor Based on a Cube-in-Cage ZnO/ZnFe2O4 Superstructure

上部结构 笼子 立方体(代数) 材料科学 光电子学 凝聚态物理 结晶学 电气工程 物理 工程类 化学 几何学 结构工程 数学
作者
Mingyang Zhu,Chen Chen,Jingyi Xu,Yingwei Mao,Ruoyu Shi,Jiarui Huang
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [IEEE Sensors Council]
卷期号:25 (15): 27950-27957
标识
DOI:10.1109/jsen.2025.3579624
摘要

The elaborate and controlled fabrication of complex inorganic nanomaterials is an attractive challenge. In this study, a structure-directed anisotropic chemical etching combined with anion-exchange strategy, followed by an annealing process, was developed for the controlled synthesis of a novel cube-in-cage ZnO/ZnFe2O4 superstructure rich in oxygen vacancies. The prepared ZnO/ZnFe2O4 nanostructures exhibited excellent sensing performance for H2S gas, benefiting from the open 3D structure, the small primary particle sizes, the high specific surface area, and abundant oxygen vacancies. At a relatively low operating temperature (120 °C), the material showed a response of 23.75 for 10 ppm H2S and a response/recovery time of 8 s/179 s. Even for 20 ppb H2S, the material still exhibited a significant response (S = 1.43), good selectivity, reversibility, and long-term stability. In addition, quasi-in situ X-ray photoelectron spectroscopy and Fourier transform infrared spectroscopy showed that during the sensitive response, H2S reacted with the material itself in addition to the adsorbed oxygen on the material surface, generating a small amount of ZnS intermediates. Density functional theory calculations suggested that the superb adsorption capacity of the ZnO/ZnFe2O4 superstructure for the H2S gas enhanced the gas-sensitive selectivity of the material. This paper provides a new design for high-performance H2S gas sensors and a new opportunity for the controllable design of complex superstructures of metal oxides.
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