基于靜電紡絲技術(shù)的SMO氣體傳感器研究進(jìn)展綜述

在各種氣體傳感器技術(shù)中，基于靜電紡絲技術(shù)的半導(dǎo)體金屬氧化物（SMO）氣體傳感器因其靈敏度高、響應(yīng)速度快、成本低、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好而備注關(guān)注，已成為用于檢測(cè)空氣中有毒和爆炸性氣體的關(guān)鍵手段?；陟o電紡絲技術(shù)制備的半導(dǎo)體金屬氧化物具有諸多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，包括高孔隙率、大比表面積、形態(tài)與成分可調(diào)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多樣化，這些特性極大地增強(qiáng)了其用于氣體傳感的性能。

圖1 基于靜電紡絲技術(shù)的半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器及其應(yīng)用

圖2 基于靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維的示意圖

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，海南大學(xué)宋明歆副教授團(tuán)隊(duì)在Sensors期刊上發(fā)表了一篇題為“Gas Sensors Based on Semiconductor Metal Oxides Fabricated by Electrospinning: A Review”的綜述文章，探討了基于靜電紡絲技術(shù)制備的半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器的研究進(jìn)展，并分析了提高氣體傳感器靈敏度的有效策略，包括調(diào)整半導(dǎo)體金屬氧化物微觀結(jié)構(gòu)、采用貴金屬修飾、引入金屬摻雜以及開(kāi)發(fā)復(fù)合材料等。最后展望了該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)前景，希望通過(guò)推動(dòng)復(fù)雜多孔半導(dǎo)體金屬氧化物材料的研究，為下一代高效氣體傳感器的開(kāi)發(fā)鋪平道路。

基于單一半導(dǎo)體金屬氧化物的氣體傳感器性能

對(duì)于單一半導(dǎo)體金屬氧化物而言，其微觀結(jié)構(gòu)，尤其是晶粒尺寸和比表面積，是決定氣體傳感性能的關(guān)鍵因素。靜電紡絲技術(shù)可以通過(guò)調(diào)整這些微觀結(jié)構(gòu)來(lái)顯著提升其氣體傳感性能，它能夠精確控制材料的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、成分甚至宏觀外觀。雖然靜電紡絲技術(shù)能夠有效提升半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器的靈敏度，但同時(shí)也可能影響其選擇性。為了確保傳感器在復(fù)雜氣體環(huán)境中的有效性，需要采用增強(qiáng)選擇性的方法，例如摻雜金屬或創(chuàng)建復(fù)合結(jié)構(gòu)。

圖3 具有更大比表面積的創(chuàng)新納米結(jié)構(gòu)

基于貴金屬修飾半導(dǎo)體金屬氧化物的氣體傳感器性能

貴金屬基傳感材料因其獨(dú)特的反應(yīng)性、優(yōu)異的催化活性以及小尺寸特性，引起了廣泛的研究興趣。利用貴金屬來(lái)提升氣體傳感性能已經(jīng)成為一種有效的手段，并已廣泛用于改良半導(dǎo)體金屬氧化物。常見(jiàn)的貴金屬，例如金（Au）、鉑（Pt）、鈀（Pd）、銀（Ag）和銠（Rh），通常用作半導(dǎo)體金屬氧化物的敏化劑。目前對(duì)貴金屬敏化機(jī)理的研究主要集中在幾個(gè)關(guān)鍵方面：（1）電子敏化，通過(guò)重新分配電荷載流子；（2）化學(xué)敏化，通過(guò)降低傳感反應(yīng)的活化能；（3）增強(qiáng)目標(biāo)氣體和負(fù)氧離子的吸附，從而降低吸附活化能。

圖4 通過(guò)貴金屬修飾半導(dǎo)體金屬氧化物提升氣體傳感性能

基于金屬離子摻雜半導(dǎo)體金屬氧化物的氣體傳感器性能

摻雜金屬雜質(zhì)是一種通過(guò)增加表面晶格缺陷和氧空位來(lái)提升半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感性能的有效方法。此外，摻雜敏化還能通過(guò)引入新的供體或受體狀態(tài)來(lái)提高自由電荷載流子濃度，這是提升半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感性能的另一個(gè)重要途徑。相比之下，傳統(tǒng)的合成方法，例如水熱合成、溶膠-凝膠合成和模板技術(shù)，通常面臨操作復(fù)雜和產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題。靜電紡絲技術(shù)則提供了一種有前途的替代方案，它通過(guò)使用溶液中的聚合物作為模板，為金屬離子的精確摻雜營(yíng)造受控環(huán)境，使得摻雜比例可以精確調(diào)節(jié)，從而顯著提升氣體傳感器的制備可靠性和性能。

圖5 通過(guò)金屬離子摻雜半導(dǎo)體金屬氧化物提升氣體傳感靈敏度和選擇性

基于復(fù)合半導(dǎo)體金屬氧化物的氣體傳感器性能

氣體傳感器技術(shù)的最新進(jìn)展主要集中在利用靜電紡絲技術(shù)制備復(fù)合半導(dǎo)體金屬氧化物材料，重點(diǎn)是集成新型材料和結(jié)構(gòu)，以提升半導(dǎo)體金屬氧化物的氣體傳感性能。靜電紡絲技術(shù)有效地利用了這些復(fù)合材料的獨(dú)特性能和協(xié)同效應(yīng)。受這些特性的啟發(fā)，研究人員開(kāi)發(fā)出了各種具有卓越靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性的氣體傳感器，并顯著降低了其工作溫度。

圖6 基于半導(dǎo)體金屬氧化物核殼和層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料提升氣體傳感性能

研究結(jié)論與展望

在環(huán)境監(jiān)測(cè)和工業(yè)安全領(lǐng)域，基于靜電紡絲技術(shù)的半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器，以其卓越的靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性，而處于領(lǐng)先地位。靜電紡絲技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)志著氣體傳感器設(shè)計(jì)的新時(shí)代。

近年來(lái)，基于靜電紡絲技術(shù)的半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器受到廣泛研究，并已取得顯著進(jìn)展。然而，若要實(shí)現(xiàn)其廣泛應(yīng)用，仍需解決許多技術(shù)挑戰(zhàn)。特別是在氣體傳感器的設(shè)計(jì)中，必須考慮傳感器的穩(wěn)定性和濕度等環(huán)境因素的影響。此外，降低能耗和工作溫度對(duì)于促進(jìn)這些傳感器的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。

展望未來(lái)，為了更好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，還需要深入研究新型介孔半導(dǎo)體金屬氧化物材料（例如多組分材料和異質(zhì)結(jié)材料）以及柔性傳感器件。這些具有單原子摻雜、二維結(jié)構(gòu)和一維納米線異質(zhì)結(jié)的介孔半導(dǎo)體金屬氧化物材料，將在開(kāi)發(fā)高性能小型化氣體傳感器方面展現(xiàn)出巨大潛力。

論文信息：
https://doi.org/10.3390/s24102962