DOI:10.1016/j.snb.2020.128712

这项工作为基于镧铁氧体钙钛矿型氧传感器的技术商业前景提供了新的见解。以LaFeO3为功能材料，实现了基于纳米颗粒掺杂纳米纤维的氧传感器。这种基于p型LaFeO3的化学电阻式氧传感器原型是通过将功能性粉末简单丝网印刷在带有预先构图的叉指Pt电极的氧化铝基板上制成的。功能性粉末是由溶胶-凝胶法和静电纺丝工艺制备而成的。使用扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子显微镜和拉曼光谱分析了1050℃烧结的功能性粉末及其膜的化学组成和形态。氧检测结果表明，形态对传感器的最终性能有着重大影响。在650℃的恶劣环境中，混合结构的组装在0-50％的分压范围内对氧传感最为有效。观察到的混合形态的最高响应是其溶胶-凝胶粉末对应物的2.62倍。混合形态样品在650℃下显示出优异的长期稳定性，在100h内的最小变化为±2Ω。上述观察结果可以通过双重机理来解释，包括增强的空穴-积累层的离子吸附作用以及连接纳米颗粒和纳米纤维之间的接触。

图1.传感器制备和测量过程的示意图。将溶胶-凝胶粉末、电纺纤维和混合成分（即溶胶-凝胶粉末加电纺纤维）丝网印刷在预先构图的Pt电极上，并在1050℃下烧结。

图2.使用XRD图谱对1050℃下烧结的LaFeO3膜进行结构分析：（a）粉末，（b）纤维，（c）混合成分。

图3.在1050℃下对沉淀物进行热处理后获得的LaFeO3粉末的微观结构，（a，d）溶胶-凝胶粉末，（b，e）电纺纤维，（c，f）混合形态的低分辨率和高分辨率图像。

图4.（a）在1050℃下烧结的LaFeO-P、LaFeO-F和LaFeO-M的LaFeO3厚膜的拉曼光谱，（b）LaFeO-P、LaFeO-F和LaFeO-M的放大扫描区域代表拉曼模式向高频扩展和转移。

图5.LaFeO-P、LaFeO-F和LaFeO-M薄膜的LaFeO3 O1s（a，b，c）和Fe2p（d，e，f）元素的高分辨率核级XPS。

图6.（a）与温度相关的灵敏度响应图；（b）动态循环；（c）传感器瞬态；（d）LaFeO-P、LaFeO-F和LaFeO-M在650℃含2％O2的N2中的滞后现象，以及（e）电阻随O2％分压的增加和降低而变化。

图7.基于（a）离子吸附、颗粒接触和传感层的传感器传感机制的示意图，并附有针对粉末、纤维和混合形态制备的LaFeO3氧传感器测试设备的SEM图像。（b）LaFeO膜表面的SEM图像：（i）在800℃下烧结的LaFeO-P，（ii）LaFeO-F，（iii）LaFeO-M。（c）LaFeO3材料的能带表示。与目标气体O2的反应通过形成HAL增强了能带弯曲。ECS和EVS分别是表面的导带和价带；qVO2和qVN2分别代表暴露于O2和N2时的能带弯曲；ØO2和ØN2分别代表暴露于O2和N2时的功函数；∆Ø是功函数的变化。x是距表面的距离。

图8.（a）氧传感器根据标准允许的毒性水平对诸如NO2（1.5ppm）、CO2（1000ppm）和甲苯（100ppm）等常见污染物的选择性。（b）当相对湿度在0-96RH％范围内时，对不同氧浓度的LogR和logpO2响应。（c）LaFeO-M在650℃下的长期稳定性测试。

图9.长期稳定性测试后，厚膜LaFeO-P、LaFeO-F和LaFeO-M传感器的拉曼光谱。

图10.经过100小时的长期测试后，LaFeO-P、LaFeO-F和LaFeO-M薄膜的LaFeO3 O1s（a，b，c），Fe2p（d，e，f），La3d（g，h，i）元素的高分辨率核级XPS光谱。