DOI:10.1016/j.snb.2020.128712
這項工作為基于鑭鐵氧體鈣鈦礦型氧傳感器的技術商業前景提供了新的見解。以LaFeO3為功能材料，實現了基于納米顆粒摻雜納米纖維的氧傳感器。這種基于p型LaFeO3的化學電阻式氧傳感器原型是通過將功能性粉末簡單絲網印刷在帶有預先構圖的叉指Pt電極的氧化鋁基板上制成的。功能性粉末是由溶膠-凝膠法和靜電紡絲工藝制備而成的。使用掃描電子顯微鏡、X射線衍射、X射線光電子顯微鏡和拉曼光譜分析了1050℃燒結的功能性粉末及其膜的化學組成和形態。氧檢測結果表明，形態對傳感器的最終性能有著重大影響。在650℃的惡劣環境中，混合結構的組裝在0-50％的分壓范圍內對氧傳感最為有效。觀察到的混合形態的最高響應是其溶膠-凝膠粉末對應物的2.62倍。混合形態樣品在650℃下顯示出優異的長期穩定性，在100h內的最小變化為±2Ω。上述觀察結果可以通過雙重機理來解釋，包括增強的空穴-積累層的離子吸附作用以及連接納米顆粒和納米纖維之間的接觸。
圖1.傳感器制備和測量過程的示意圖。將溶膠-凝膠粉末、電紡纖維和混合成分（即溶膠-凝膠粉末加電紡纖維）絲網印刷在預先構圖的Pt電極上，并在1050℃下燒結。
圖2.使用XRD圖譜對1050℃下燒結的LaFeO3膜進行結構分析：（a）粉末，（b）纖維，（c）混合成分。
圖3.在1050℃下對沉淀物進行熱處理后獲得的LaFeO3粉末的微觀結構，（a，d）溶膠-凝膠粉末，（b，e）電紡纖維，（c，f）混合形態的低分辨率和高分辨率圖像。
圖4.（a）在1050℃下燒結的LaFeO-P、LaFeO-F和LaFeO-M的LaFeO3厚膜的拉曼光譜，（b）LaFeO-P、LaFeO-F和LaFeO-M的放大掃描區域代表拉曼模式向高頻擴展和轉移。
圖5.LaFeO-P、LaFeO-F和LaFeO-M薄膜的LaFeO3 O1s（a，b，c）和Fe2p（d，e，f）元素的高分辨率核級XPS。
圖6.（a）與溫度相關的靈敏度響應圖；（b）動態循環；（c）傳感器瞬態；（d）LaFeO-P、LaFeO-F和LaFeO-M在650℃含2％O2的N2中的滯后現象，以及（e）電阻隨O2％分壓的增加和降低而變化。
圖7.基于（a）離子吸附、顆粒接觸和傳感層的傳感器傳感機制的示意圖，并附有針對粉末、纖維和混合形態制備的LaFeO3氧傳感器測試設備的SEM圖像。（b）LaFeO膜表面的SEM圖像：（i）在800℃下燒結的LaFeO-P，（ii）LaFeO-F，（iii）LaFeO-M。（c）LaFeO3材料的能帶表示。與目標氣體O2的反應通過形成HAL增強了能帶彎曲。ECS和EVS分別是表面的導帶和價帶；qVO2和qVN2分別代表暴露于O2和N2時的能帶彎曲；?O2和?N2分別代表暴露于O2和N2時的功函數；??是功函數的變化。x是距表面的距離。
圖8.（a）氧傳感器根據標準允許的毒性水平對諸如NO2（1.5ppm）、CO2（1000ppm）和甲苯（100ppm）等常見污染物的選擇性。（b）當相對濕度在0-96RH％范圍內時，對不同氧濃度的LogR和logpO2響應。（c）LaFeO-M在650℃下的長期穩定性測試。
圖9.長期穩定性測試后，厚膜LaFeO-P、LaFeO-F和LaFeO-M傳感器的拉曼光譜。
圖10.經過100小時的長期測試后，LaFeO-P、LaFeO-F和LaFeO-M薄膜的LaFeO3 O1s（a，b，c），Fe2p（d，e，f），La3d（g，h，i）元素的高分辨率核級XPS光譜。
