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大連化物所提出氣體傳感材料內(nèi)置電場調(diào)控策略 實(shí)現(xiàn)室溫下超靈敏NO2檢測
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)隊在氣體傳感材料研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。團(tuán)隊通過一種新型的內(nèi)置電場調(diào)控策略，構(gòu)建了Fe-BiOCl材料，實(shí)現(xiàn)了室溫下對二氧化氮(NO2)氣體的超高靈敏度檢測，檢測限低至117 ppt，響應(yīng)時間小于10秒，并具備較好的長期穩(wěn)定性和選擇性。 
氣體傳感器在環(huán)境檢測、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、連續(xù)地檢測大氣中的有害氣體成分，為空氣質(zhì)量評估、污染源追蹤、生產(chǎn)過程控制和危險氣體泄漏預(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)檢測需求日益迫切。然而，傳統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器普遍依賴高溫工作條件(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、基線漂移嚴(yán)重等問題，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、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、連續(xù)地檢測大氣中的有害氣體成分，為空氣質(zhì)量評估、污染源追蹤、生產(chǎn)過程控制和危險氣體泄漏預(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)檢測需求日益迫切。然而，傳統(tǒng)半導(dǎo)體氣體傳感器普遍依賴高溫工作條件(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、基線漂移嚴(yán)重等問題，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，馮亮團(tuán)隊致力于新型氣體傳感材料的開發(fā)及便攜式氣體傳感的設(shè)計(Coordination Chemistry Reviews，2024)，通過對氣敏材料的d帶中心調(diào)控(J. Mater. Chem. A，2024)和動態(tài)配位設(shè)計(National Science Review，2025)，實(shí)現(xiàn)氣體傳感檢出限從ppm提升到ppb級別。
在本工作中，研究團(tuán)隊提出在單一組分材料中構(gòu)建內(nèi)置電場，通過鐵(Fe)摻雜在氯氧化鉍(BiOCl)晶格中形成不對稱的鐵-氧-鉍(Fe–O–Bi)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動電子定向遷移，協(xié)同F(xiàn)e2+/Fe3+動態(tài)價態(tài)變化，構(gòu)建“電場引擎”，提升了室溫下對NO2的傳感性能。該策略還可推廣至銅(Cu)、錫(Sn)等可變價金屬摻雜體系，顯示出良好的普適性。團(tuán)隊進(jìn)一步開發(fā)了基于該傳感器的無線檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對汽車尾氣中NO2的實(shí)時檢測，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。該工作中的理論計算得到了我所傅碧娜研究員團(tuán)隊的支持。上述工作得到中國科學(xué)院科研儀器設(shè)備研制項目、我所創(chuàng)新基金、我所聯(lián)合基金等項目的支持。(文/圖 史御書)
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