近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室”）孫金華教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于光激發(fā)Pd@MOF衍生多孔納米復(fù)合材料的超高效室溫傳感氣體鑒別方案,，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立傳感器在室溫下對(duì)氫氣的準(zhǔn)確識(shí)別,。相關(guān)研究成果在能源與材料領(lǐng)域國(guó)際知名期刊Journal of Materials Chemistry A上發(fā)表題為"Ultra-effective room temperature gas discrimination based on monolithic Pd@MOF-derived porous nanocomposites: An exclusive scheme with photoexcitation"的封面論文，并被期刊同期重點(diǎn)推薦,。
金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）化學(xué)電阻傳感器由于具有穩(wěn)定性高,、重復(fù)性好以及易于小型化等顯著優(yōu)點(diǎn)，已成為環(huán)境監(jiān)測(cè)與可燃?xì)怏w檢測(cè)領(lǐng)域最具發(fā)展前景的傳感技術(shù)之一,。然而,，該類(lèi)傳感器受限于金屬氧化物半導(dǎo)體材料表面吸附氧的傳感機(jī)制，其通常需要加熱至300~500℃的較高工作溫度才能實(shí)現(xiàn)傳感功能,，高的核心工作溫度不僅在可燃?xì)怏w環(huán)境中帶來(lái)了高溫引燃的潛在風(fēng)險(xiǎn),，還大大增加了系統(tǒng)的功耗。此外,，目前金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）基傳感器通常表現(xiàn)出很高的交叉靈敏度,，這意味著對(duì)相同類(lèi)型的氣體（如H2,、CH4、CO等易燃?xì)怏w）具有相似的響應(yīng)特性,，很難準(zhǔn)確的識(shí)別相關(guān)場(chǎng)景的泄漏氣體種類(lèi),。盡管高階傳感陣列可以作為氣體識(shí)別的一種方案，但其高昂的成本和器件尺寸使其難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)小型化和大規(guī)模制造的需求,。尤其是近年來(lái)隨著全球能源危機(jī)的出現(xiàn)以及“雙碳”目標(biāo)的提出,，可燃?xì)怏w傳感器除了在石油化工、航空航天以及核能監(jiān)測(cè)等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用以外,，新興的應(yīng)用場(chǎng)景如燃料電池,、電化學(xué)儲(chǔ)能以及摻氫甲烷燃料等技術(shù)領(lǐng)域?qū)扇細(xì)怏w（尤其是氫氣）的檢測(cè)提出了更多樣化的需求以及更高的標(biāo)準(zhǔn)。因此,，研發(fā)在室溫下具有高選擇性的氣體傳感技術(shù)對(duì)能源領(lǐng)域的安全發(fā)展與監(jiān)測(cè)預(yù)警具有重要意義,。
圖1期刊封面及推薦頁(yè)（2024,Volume 12, Issue 7）
為解決半導(dǎo)體基傳感器工作溫度高與選擇性差的難題，孫金華教授團(tuán)隊(duì)提出了一種從材料源頭設(shè)計(jì)的有效方案,，通過(guò)光激發(fā)巧妙地實(shí)現(xiàn)了材料表面的室溫激活,，同時(shí)借助優(yōu)化熱處理后Pd@MOF衍生金屬氧化物半導(dǎo)體材料的多孔特性以及Pd納米團(tuán)簇對(duì)H2分子的特殊吸附機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了單片傳感器在室溫下對(duì)氫氣的獨(dú)特高選擇性響應(yīng),。該工作利用信號(hào)模式識(shí)別方法發(fā)現(xiàn)傳感器對(duì)氫氣的響應(yīng)與其他典型可燃?xì)怏w的響應(yīng)特性完全獨(dú)立,，這意味著僅基于原始電學(xué)響應(yīng)信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的準(zhǔn)確識(shí)別，從而擺脫了對(duì)復(fù)雜傳感矩陣設(shè)計(jì)的依賴(lài),。
該研究工作還通過(guò)模擬實(shí)際傳感過(guò)程,，系統(tǒng)地開(kāi)展了相關(guān)結(jié)構(gòu)模型的DFT計(jì)算，并結(jié)合能帶結(jié)構(gòu)理論證明了不同Pd態(tài)表面O2分子和H2分子的特殊吸附行為,。理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的n型向p型半導(dǎo)體響應(yīng)特征的轉(zhuǎn)變相吻合,，為Pd元素在高選擇性材料中的應(yīng)用提供了更加深入的理論基礎(chǔ)。
圖2在室溫下傳感器對(duì)氫氣的獨(dú)特高選擇性響應(yīng)特性
圖3基于實(shí)際傳感構(gòu)型的DFT計(jì)算與能帶結(jié)構(gòu)理論的獨(dú)特敏感機(jī)理研究
這項(xiàng)研究工作提出了一種進(jìn)行高選擇性氣體敏感材料設(shè)計(jì)的同時(shí),，實(shí)現(xiàn)室溫氣體傳感的“一石二鳥(niǎo)”新方案,，為新型光激發(fā)高選擇性室溫傳感器的研制提供堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)參考與理論依據(jù)。
火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室博士生段佩玉為該論文的第一作者,，孫金華教授與金凱強(qiáng)副研究員為論文的共同通訊作者,，火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室為論文的第一完成單位。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金的資助,。
論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3TA05740B
(火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，科研部)
