Regulating the d-Band Center of an FeCu/NC Dual-Metal Catalyst for Self-Powered and Smart Sensing of Oxidizing and Reducing Gas

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作者
Xiao Wang,Ningning Zhang,Feifei Li,Zhaokun Sun,Xinyu Li,Ce Guo,Xijin Xu
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
卷期号:10 (10): 7726-7735 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acssensors.5c02143
摘要

Gas sensors based on zinc–air batteries that integrate battery functionality expand the self-powered and energy-harvesting capabilities of sensing systems. However, the sluggish and inadequate reaction kinetics at the interface and exclusive detection of oxidizing gases restrict their sensing response and the sensing scenario. Herein, a dual-metal FeCu/NC catalyst is fabricated to facilitate the reduction reaction at the interface. The incorporation of Fe shifts the d-band center of the Cu catalyst to the Fermi level, facilitating NO 2 gas adsorption and decreasing Gibbs free energy of NO 2 reduction. The O atoms of NO 2 will generate a covalent bond with Fe atoms, leading to an elevated charge redistribution with more electrons adsorbed by NO 2 gas molecules (0.61 |e| as calculated by Bader charge analysis). As a result, the constructed sensors exhibit a remarkable NO 2 sensing performance with a high response (0.16 V@10 ppm), an ultralow detection limit (10 ppb), and a fast response transience (40 s). Moreover, for H 2 S gas sensing, the partial Cu catalyst is oxidized to the Cu–S bond at the surface and subsequently reduced to a Cu substance at the three-phase interface, generating a lower redox potential and open-circuit voltage. As a consequence, the sensors exhibit a response of 0.1 V to 25 ppm H 2 S at room temperature. Finally, the sensing device is assembled into an intelligent sensing system capable of wireless information transmission for remote gas monitoring.
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