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大連化物所提出氣體傳感材料內(nèi)置電場(chǎng)調(diào)控策略 實(shí)現(xiàn)室溫下超靈敏NO2檢測(cè)
2025-10-11 12:05:37大連化學(xué)物理研究所閱讀量：16353 我要評(píng)論
近日，大連化物所儀器分析化學(xué)研究室化學(xué)傳感器研究組(106組)馮亮研究員團(tuán)隊(duì)在氣體傳感材料研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)通過(guò)一種新型的內(nèi)置電場(chǎng)調(diào)控策略，構(gòu)建了Fe-BiOCl材料，實(shí)現(xiàn)了室溫下對(duì)二氧化氮(NO2)氣體的超高靈敏度檢測(cè)，檢測(cè)限低至117 ppt，響應(yīng)時(shí)間小于10秒，并具備較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和選擇性。 
氣體傳感器在環(huán)境檢測(cè)、工業(yè)安全、智能家居、醫(yī)療診斷及公共安全等領(lǐng)域具有不可替代的重要作用。它們能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)地檢測(cè)大氣中的有害氣體成分，為空氣質(zhì)量評(píng)估、污染源追蹤、生產(chǎn)過(guò)程控制和危險(xiǎn)氣體泄漏預(yù)警等提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。特別是在“雙碳”與綠色發(fā)展的背景下，對(duì)氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等典型污染物的精準(zhǔn)檢測(cè)需求日益迫切。然而，傳統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器普遍依賴(lài)高溫工作條件(通常高于200 oC)，不僅能耗高、設(shè)備壽命短，還存在靈敏度低、交叉干擾顯著、基線(xiàn)漂移嚴(yán)重等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了其在常溫、高濕、復(fù)雜背景氣體環(huán)境下的可靠應(yīng)用。因此，發(fā)展高靈敏、高選擇性、低功耗且能在室溫下穩(wěn)定工作的新型氣體傳感材料與技術(shù)，已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
氣體傳感器在環(huán)境檢測(cè)、工業(yè)安全、智能家居、醫(yī)療診斷及公共安全等領(lǐng)域具有不可替代的重要作用。它們能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)地檢測(cè)大氣中的有害氣體成分，為空氣質(zhì)量評(píng)估、污染源追蹤、生產(chǎn)過(guò)程控制和危險(xiǎn)氣體泄漏預(yù)警等提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。特別是在“雙碳”與綠色發(fā)展的背景下，對(duì)氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等典型污染物的精準(zhǔn)檢測(cè)需求日益迫切。然而，傳統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器普遍依賴(lài)高溫工作條件(通常高于200 oC)，不僅能耗高、設(shè)備壽命短，還存在靈敏度低、交叉干擾顯著、基線(xiàn)漂移嚴(yán)重等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了其在常溫、高濕、復(fù)雜背景氣體環(huán)境下的可靠應(yīng)用。因此，發(fā)展高靈敏、高選擇性、低功耗且能在室溫下穩(wěn)定工作的新型氣體傳感材料與技術(shù)，已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
近年來(lái)，馮亮團(tuán)隊(duì)致力于新型氣體傳感材料的開(kāi)發(fā)及便攜式氣體傳感的設(shè)計(jì)(Coordination Chemistry Reviews，2024)，通過(guò)對(duì)氣敏材料的d帶中心調(diào)控(J. Mater. Chem. A，2024)和動(dòng)態(tài)配位設(shè)計(jì)(National Science Review，2025)，實(shí)現(xiàn)氣體傳感檢出限從ppm提升到ppb級(jí)別。
在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)提出在單一組分材料中構(gòu)建內(nèi)置電場(chǎng)，通過(guò)鐵(Fe)摻雜在氯氧化鉍(BiOCl)晶格中形成不對(duì)稱(chēng)的鐵-氧-鉍(Fe–O–Bi)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電子定向遷移，協(xié)同F(xiàn)e2+/Fe3+動(dòng)態(tài)價(jià)態(tài)變化，構(gòu)建“電場(chǎng)引擎”，提升了室溫下對(duì)NO2的傳感性能。該策略還可推廣至銅(Cu)、錫(Sn)等可變價(jià)金屬摻雜體系，顯示出良好的普適性。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了基于該傳感器的無(wú)線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車(chē)尾氣中NO2的實(shí)時(shí)檢測(cè)，展現(xiàn)出良好的實(shí)際應(yīng)用前景。
相關(guān)工作以“Atomic-Level Built-in Electric Field Drives Sub-ppb NO2 Detection in Fe-Doped BiOCl at Room Temperature”為題，于近日發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)上。該文章的第一作者是我所106組博士研究生史御書(shū)。該工作中的理論計(jì)算得到了我所傅碧娜研究員團(tuán)隊(duì)的支持。上述工作得到中國(guó)科學(xué)院科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目、我所創(chuàng)新基金、我所聯(lián)合基金等項(xiàng)目的支持。(文/圖 史御書(shū))
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