爆炸物檢測(cè)對(duì)于反恐防暴和維護(hù)國家安全具有重要意義。爆炸物分為兩大類，即制式和非制式。因二者的飽和蒸氣濃度均較低，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)其氣氛檢測(cè)。因此，制備高靈敏度響應(yīng)的氣敏材料對(duì)于爆炸物氣氛檢測(cè)具有重要意義。近年來，一系列理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金屬氧化物摻雜能夠提高材料對(duì)目標(biāo)分子的響應(yīng)大小，其原因歸結(jié)于表面缺陷的存在。然而，摻雜對(duì)氣敏材料響應(yīng)快慢的影響鮮有研究。眾所周知，快速響應(yīng)的傳感器才能實(shí)現(xiàn)爆炸物的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求。因此，是否可以通過元素?fù)诫s調(diào)控材料結(jié)構(gòu)和表面缺陷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸物氣氛的快速超靈敏檢測(cè)具有重要研究價(jià)值。

　　近期，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室科研人員為了探究氣敏響應(yīng)快慢與材料的結(jié)構(gòu)和表面缺陷的關(guān)系，采用溶膠-凝膠法制備了富含表面缺陷的氧化鋅（ZnO）納米顆粒。通過電子順磁共振表征發(fā)現(xiàn)，納米顆粒的表面缺陷濃度與氣敏響應(yīng)大小存在重要聯(lián)系，證明單電子氧空位對(duì)氣敏性能起決定性作用。同時(shí)，過渡金屬摻雜使得ZnO納米顆粒中心的外部產(chǎn)生了一個(gè)局部電荷聚集層，能夠顯著縮短對(duì)爆炸物氣氛的響應(yīng)時(shí)間和回復(fù)時(shí)間。以該過渡金屬摻雜的ZnO納米顆粒為敏感膜組成的氣體傳感器陣列對(duì)室溫下硝基爆炸物飽和蒸氣和兩種非制式爆炸物原料的蒸氣均表現(xiàn)出良好的響應(yīng)與區(qū)分能力，可以在13秒內(nèi)將9.1 ppb的三硝基甲苯（TNT）和4.9 ppt的黑索金（RDX）從高濃度的結(jié)構(gòu)類似物，如12.5%的苯，3.85%的甲苯和394.7 ppm的硝基苯中很好地分辨出來。通過與近年來相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道比較發(fā)現(xiàn)，該傳感材料的響應(yīng)速度和大小能與目前世界上最靈敏的爆炸物氣氛傳感材料相媲美。

　　該研究工作首次通過摻雜將材料的結(jié)構(gòu)和響應(yīng)速度聯(lián)系起來，為傳感器的實(shí)用化提供有力的保障。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在Small上。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院“百人計(jì)劃”、新疆維吾爾自治區(qū)杰青等項(xiàng)目的資助。

過渡金屬摻雜ZnO納米顆粒對(duì)爆炸物氣氛的快速響應(yīng)機(jī)理圖