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我院张红燕教授团队在《Chemical Engineering Journal》发表重要研究成果

2026年06月03日 12:11

我院张红燕教授团队在气敏传感研究方面取得重要进展。研究成果以“Modulation of the electronic structure and oxygen vacancies in cobalt-based metal-organic frameworks induced by iron ions to enhance the sensing performance of trimethylamine”为题，发表于国际顶级期刊《Chemical Engineering Journal》（影响因子13.2），新疆大学物理科学与技术学院为第一完成单位，学院2024级博士研究生张海洋为论文第一作者，通讯作者为张红燕教授。

研究背景/选题意义/研究价值：

随着工业化进程的深入推进，大量有毒气体被排放到环境中，对人类健康构成严峻威胁。其中，三甲胺（TMA）作为一种典型的有毒挥发性有机化合物（VOC），吸入后不仅会引起恶心、头痛等不适，重者更可导致呼吸困难、肺水肿及上呼吸道损伤。此外，TMA在高温环境下亦具有易燃易爆的风险。鉴于此，开发高效的TMA监测技术对于生态环境保护与公共健康保障具有重要意义。

目前，三甲胺（TMA）的检测方法主要包括离子迁移谱质谱联用仪、高效液相色谱法以及气相色谱质谱法等。相比之下，基于电信号变化的气体传感器凭借操作简便、灵敏度高、实时响应快、成本低及室温工作等优势备受关注，已成为TMA检测的有力工具。近年来，金属有机框架（MOF）材料因高孔隙率、大比表面积及独特的分子筛效应，在气体传感领域展现出广阔前景。其巨大的比表面积提供了丰富的活性位点，有序的孔结构则促进了气体分子的快速扩散与传输，为高性能传感器的研发奠定了坚实基础。在众多MOF材料中，由钴离子（Co²⁺）与对苯二甲酸（H₂BDC）自组装形成的Co-MOF在TMA检测方面潜力显著：一方面，Co²⁺作为路易斯酸位点，其空d轨道可与TMA氮原子的孤对电子形成强静电相互作用；另一方面，H₂BDC的羧基能与TMA形成N···H-O氢键，从而实现对TMA的高选择性吸附。

然而，Co-MOF的实际应用仍面临诸多挑战。一方面，其微孔结构延长了气体扩散路径，导致响应迟滞；另一方面，有机组分含量高致使材料电导率较低，严重制约了传感器的灵敏度。引入第二种金属离子构建双金属MOF，是调控电子结构、优化电荷传输路径并提升电导率的有效策略。因此，基于Co-MOF构建双金属体系有望克服其本征导电性差的缺陷，从而显著提升其气体传感性能。

在众多金属元素中，Fe的电负性低于Co。当二者在MOF结构中形成异金属配位中心时，电负性差异驱动电子由Fe向Co转移，构建了连续的电子传输通道，从而显著提升了材料的电导率及载流子迁移率。此外，Fe与Co的多价态特性有利于在配位竞争过程中诱导不饱和金属位点与氧空位的生成。氧空位浓度的增加提供了丰富的活性吸附位点，有效增强了对目标气体分子的吸附能力。然而，目前尚未见Fe/Co-MOF应用于TMA检测的研究报道，其内在传感机制亦不明确。因此，系统探究Fe/Co-MOF的气敏增强机制并阐明其传感行为，对于开发高性能TMA传感器具有重要指导意义。

主要研究内容：

本研究成功合成了一种基于铁-钴双金属有机框架（Fe/Co-MOF）的新型气体传感器，并首次将其应用于三甲胺（TMA）检测。实验结果表明，Fe³⁺的引入不仅增大了材料的比表面积和氧空位浓度，还显著增强了Co-MOF的本征导电性与载流子迁移率，从而大幅提升了对TMA的传感响应。该传感器对100 ppm TMA的响应值达164.18，响应/恢复时间快至8 s/3 s。结合DFT计算与结构分析发现，Fe³⁺的引入诱导了更多氧空位的生成，并构建了高效的Fe-O-Co电子传输通道，有效解决了Co-MOF导电性差的瓶颈；同时，d带中心向费米能级的移动增强了活性位点的反应活性。本研究不仅实现了Fe/Co-MOF对TMA的高性能检测，也为设计高导电性MOF气敏材料提供了新策略。

图1. 结构表征。通过对Co-MOF和Fe/Co-MOF的XRD、FTIR光谱分析，证明了Fe³⁺的引入保持了Co-MOF框架结构的稳定性

图2. 结构表征。通过对Co-MOF和Fe/Co-MOF的O 1s XPS能谱和EPR能谱分析，证明了Fe³⁺的引入使Co-MOF的氧空位数量得到增加,为TMA分子的吸附提供大量的活性位点，使传感器的气敏性能得到提升

图3. 结构表征。通过对Co-MOF和Fe/Co-MOF的比表面积和电导率的检测，证明了Fe³⁺的引入使Co-MOF的比表面积和电导率得到增加

图4. 气敏性能。展示了Co-MOF和Fe/Co-MOF传感器的选择性、浓度梯度、响应/恢复时间、重复性和长期稳定性等气敏性能，说明了Fe/Co-MOF传感器具有优异的气敏性能

图5. 采用DFT探讨了Fe³⁺引入增强Co-MOF TMA传感性能的机理。DFT计算结果表明，Fe³⁺的引入诱导了更多氧空位的生成，并构建了高效的Fe-O-Co电子传输通道，有效解决了Co-MOF导电性差的瓶颈；同时，d带中心向费米能级的移动增强了活性位点的反应活性

主要创新点：

1. 通过引入Fe³⁺成功调控了材料的电子结构与氧空位浓度，构建了高效的电子传输通道，有效解决了单金属Co-MOF导电性差的缺点，并首次将Fe/Co-MOF应用于TMA检测领域。

2. 通过DFT计算阐明了Fe/Co- MOF对TMA的传感机制，为高性能MOF传感器的设计提供了理论依据。

受项目资助信息：

本研究得到了新疆维吾尔自治区自然科学基金项目（Grant No. 2023D01C05、2025D01B91）和新疆维吾尔自治区天山创新团队计划（Grant No. 2023TSYCTD0012）的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.175439

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