近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室(以下簡稱“火災(zāi)實驗室”)孫金華教授團隊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，實現(xiàn)了獨立傳感器在室溫下對氫氣的準(zhǔn)確識別。相關(guān)研究成果在能源與材料領(lǐng)域國際知名期刊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，并被期刊同期重點推薦。
期刊封面及推薦頁(2024,Volume 12, Issue 7)
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，已成為環(huán)境監(jiān)測與可燃?xì)怏w檢測領(lǐng)域最具發(fā)展前景的傳感技術(shù)之一。然而，該類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制，其通常需要加熱至300~500℃的較高工作溫度才能實現(xiàn)傳感功能，高的核心工作溫度不僅在可燃?xì)怏w環(huán)境中帶來了高溫引燃的潛在風(fēng)險，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，這意味著對相同類型的氣體(如H2、CH4、CO等易燃?xì)怏w)具有相似的響應(yīng)特性，很難準(zhǔn)確的識別相關(guān)場景的泄漏氣體種類。盡管高階傳感陣列可以作為氣體識別的一種方案，但其高昂的成本和器件尺寸使其難以滿足實際應(yīng)用中對小型化和大規(guī)模制造的需求。尤其是近年來隨著全球能源危機的出現(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)測等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用以外，新興的應(yīng)用場景如燃料電池、電化學(xué)儲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)對能源領(lǐng)域的安全發(fā)展與監(jiān)測預(yù)警具有重要意義。
為解決半導(dǎo)體基傳感器工作溫度高與選擇性差的難題，孫金華教授團隊提出了一種從材料源頭設(shè)計的有效方案，通過光激發(fā)巧妙地實現(xiàn)了材料表面的室溫激活，同時借助優(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納米團簇對H2分子的特殊吸附機制，實現(xiàn)了單片傳感器在室溫下對氫氣的獨特高選擇性響應(yīng)。該工作利用信號模式識別方法發(fā)現(xiàn)傳感器對氫氣的響應(yīng)與其他典型可燃?xì)怏w的響應(yīng)特性完全獨立，這意味著僅基于原始電學(xué)響應(yīng)信號即可實現(xiàn)對氫氣的準(zhǔn)確識別，從而擺脫了對復(fù)雜傳感矩陣設(shè)計的依賴。
該研究工作還通過模擬實際傳感過程，系統(tǒng)地開展了相關(guān)結(jié)構(gòu)模型的DFT計算，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。理論計算結(jié)果與實際實驗中產(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在室溫下傳感器對氫氣的獨特高選擇性響應(yīng)特性
圖3基于實際傳感構(gòu)型的DFT計算與能帶結(jié)構(gòu)理論的獨特敏感機理研究
這項研究工作提出了一種進行高選擇性氣體敏感材料設(shè)計的同時，實現(xiàn)室溫氣體傳感的“一石二鳥”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實的實驗參考與理論依據(jù)。
火災(zāi)實驗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副研究員為論文的共同通訊作者，火災(zāi)實驗室為論文的第一完成單位。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金的資助。
