A benzene vapor sensor based on a metal-organic framework-modified quartz crystal microbalance

基于金属有机骨架改性石英晶体微天平的苯蒸气传感器

文献来源:期刊：Sensors and Actuators B: Chemical

作者：Zhiheng Ma等

通讯作者：Jiaqiang Xu

机构：上海大学理学院物理系、化学系NEST实验室；浙江科技大学材料科学与工程学院纤维基新能源材料研究所，先进纺织材料与制造技术教育部重点实验室。

简介

苯作为生活环境中的苯系物（苯、甲苯、乙苯、二甲苯）之一，具有致癌、麻痹和神经毒性。同时，由于苯的化学惰性和非极性特征，苯也是苯系物中最难检测的。而苯蒸汽可以与MOF-14的配体相互作用，所以MOF-14可以被用作苯的检测。而其他苯系物由于空间位阻的缘故可以被排除，因此MOF-14有着较好的选择性。在此过程中作者发现材料的配体在气敏过程中起到的效果大于金属粒子。

结果与讨论

作者制备了用于对照的MOF材料，XRD图像显示材料的成功制备。

SEM图相显示了不同形貌的MOF颗粒

高倍透射电镜显示材料的表面有纳米孔洞。

将各种MOF材料制成的QCM传感器置于80ppm 苯蒸汽中，MOF-14材料响应值最高。

MOF-14和HKUST-1具有相同的金属粒子Cu，而响应值差距较大的原因在于其配体不同。

而对于同种配体，MOF-14中的Cu比MOF-177中的Zn具有更大的离子直径，这意味着MOF-14和苯系物之间的吸附更好，因为Cu是更软的Lewis酸。

作者认为决定气敏性能好坏的因素在于配体中苯环的含量以及金属是否为软的Lewis酸。

对不同的气体测试发现材料对苯的响应值最高。

作者发现响应值与空间尺寸成反比，作者认为空间位阻导致材料对苯有较好的选择性。

结论

作者对微孔MOF-14修饰的QCM传感器进行了全面的研究，该传感器对痕量苯蒸汽具有高灵敏度。出色的传感性能应归功于苯系物和MOF-14之间特殊的主客体相互作用。较大的比表面积和孔体积也提供了更高的吸附容量，与其他苯系物相比，进一步增强了对苯蒸汽的响应。MOF-14改性QCM传感器对苯的响应为典型的朗缪尔型。

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