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Hydrophobic MOF/PDMS-Based QCM Sensors for VOCs Identification and Quantitative Detection in High-Humidity Environments

材料科学 石英晶体微天平 丙酮 聚二甲基硅氧烷 相对湿度 检出限 湿度 挥发性有机化合物 水分 纳米技术 化学工程 色谱法 吸附 复合材料 有机化学 物理 工程类 化学 热力学
作者
Yunqi Cao,Mengyao Fu,Shuyu Fan,Chenyang Gao,Zhiqiang Ma,Dibo Hou
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (6): 7721-7731 被引量:38
标识
DOI:10.1021/acsami.3c16228
摘要

Metal-organic frameworks (MOFs) have great potential in quartz crystal microbalance (QCM) platforms for volatile organic compound (VOCs) detection and recognition due to their unique properties. However, the MOFs' hydrophilicity degrades performance in high-humidity environments, limiting reliable VOC sensing in complex environments. Herein, we propose a novel VOC virtual sensor array (VSA) using a single QCM sensor with an adsorption layer composed of MIL-101(Cr) MOF and polydimethylsiloxane (PDMS), realizing stable sensing and accurate identification for different VOCs under various relative humidity (RH) conditions. The hydrophobic PDMS layer improves the moisture resistance of the sensor to 4 and 14 times in terms of shifts in resonant frequency and scattering parameters, respectively. In addition, performance is maintained over 2 days of water treatment, demonstrating superior water resistance. The highest sensitivity of 2.68 mdB ppm-1 is achieved for isopropanol detection, with the lowest limit of detection of 20.06 ppm for acetone. Combining resonant signals and lumped parameters, the proposed VSA technique effectively discriminates four VOCs (ethanol, 2-propanol, acetone, and acetonitrile) with a high accuracy of 95.3% under both 60% and 90% RH backgrounds. The studies provide a promising solution for reliable low-concentration VOC detection using QCM sensors in high-humidity environments such as underground spaces.
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