高性能室温NO2气体传感器的研究

Semiconductor gas sensors have made great progress in relevant performance indicators such as sensitivity, response and recovery time and detection threshold. However, the relatively higher power consumption and the decrease of stability and service life brought by its higher operating temperature limit the industrial application of this type of gas sensor. Therefore, low-temperature or even room-temperature gas sensors are attracting a new wave of research, among which the composites of graphene-based or graphene-like materials and semiconductor oxides are hot spots in this field. At room temperature, the sensitivity of the sensor is greatly reduced, and the response and recovery time of the sensor are also greatly extended due to the low diffusion, adsorption and desorption rate of the target gas molecules at low temperature, which are urgent problems needing to be solved for room temperature gas sensors. On the basis of my previous research, the applicant plans to start from the design and preparation of sensitive materials and make the composites of porous metal semiconductor metal oxides and graphene and the like as sensitive materials, promoting the sensitivity of sensitive materials through precious metals modification and the design and optimization of plane electrodes, improving its recovery features through ultraviolet illumination, enhancing the wet resistance of sensitive materials through surface treatment of hydrophobic groups and intelligent humidity compensation. Fusing the above strategies, the applicant aims to explore a method of building high-performance room-temperature NO2 gas sensors and research the related sensing mechanism.

半导体型气体传感器已经在诸如灵敏度、响应与恢复时间和检测下限等指标上取得了长足的发展。然而，其较高的工作温度带来的功耗增加和稳定性及使用寿命的下降限制了该类型传感器的产业化应用。因此，低温甚至室温气体传感器正在引发新一轮的研究热潮，其中，石墨烯或类石墨烯材料与半导体氧化物的复合材料是此类研究中的热点。在室温下，传感器的灵敏度大大降低，其响应和恢复时间因低温时目标气体分子较低的扩散和吸脱附速率而大大延长，这也是室温气体传感器亟待解决的问题。申请人在自身研究工作的基础上，从敏感材料的设计与制备出发，将多孔性的半导体金属氧化物与石墨烯等的复合材料作为敏感材料，以贵金属修饰和平面器件电极的设计优化着手提升敏感材料的灵敏度，以紫外光照辅助脱附着手改善其恢复性能，以疏水基团表面处理和智能化湿度补偿着手增强其抗湿性能，通过上述策略的融合来探索一种构建高性能室温NO2气体传感器的方法，并研究相关气敏机理。

NO2作为一种主要的大气污染物，随着人类对化石燃料的使用被大量地排放，由此引发的生态和健康挑战日渐加剧，对NO2的传感检测有重要的现实意义。高温下，半导体氧化物基NO2气体传感器的性能指标已达到较高水平。然而，室温下反应活性的降低以及NO2超强的亲和力使得传感器普遍表现出响应值低、脱附困难等缺点。从传感器的低功耗、稳定性、实用性等角度出发，提升室温NO2传感性能的研究具有很高的科学价值。本项目着重优化了传感器的两个方面。其一，敏感材料的特异性制备，诸如低维性、多孔性和高活性，使其具备较高的传感潜质。其二，外设辅助的引入，诸如可见、紫外光激发等光活化手段，利用光子能量的注入使得敏感材料在不升高工作温度的情况下获得与高温下相当的传感性能。光激发产生的活跃光电子在室温下诱导大量NO2分子与敏感材料反应，从而大幅提升传感器的响应值。室温下，光电子直接参与敏感材料表面NO2分子的脱附过程，且NO2脱附速率的快慢与光波长（光子能量）和光强度（光子密度）直接相关，但两种因素的作用机制截然不同。活性位点（如表面活性剂）的引入不仅可以定向改变敏感材料的组成和结构，还影响其光电特性，进而改善光激发下的室温NO2传感性能。贵金属（如Au）在紫外光照下产生的局域表面等离激元共振效应将大量共振电子注入到敏感材料中，这种协同效应能够进一步提升室温下NO2的传感性能。除NO2外，本项目还将上述技术手段应用在其它气体，诸如HCHO、CH4，的室温检测中，证实了相关增感机制的普适性。例如，可见光照可与ZnO表面富集的氧缺陷产生协同作用，促进光吸收及光电子的俘获，提升了其室温下对HCHO的传感性能。此外，表面富含氧缺陷的ZnO在紫外光照的诱导下产生了Zn+/O−活性中心，促进CH4的光活化和光催化氧化，这是该体系室温CH4传感性能增强的主导因素。本项目揭示了多个在室温下具有优异NO2传感性能的敏感体系，相关的增感机制为室温高性能NO2传感器的研发提供了重要的范例和支撑，并为其商业化应用起到了推动作用。