近日，中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室(以下簡稱“火災實驗室”)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)

金屬氧化物半導體(MOS)化學電阻傳感器由于具有穩(wěn)定性高、重復性好以及易于小型化等顯著優(yōu)點，已成為環(huán)境監(jiān)測與可燃氣體檢測領(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氣體環(huán)境中帶來了高溫引燃的潛在風險，還大大增加了系統(tǒng)的功耗。此外，目前金屬氧化物半導體(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等易燃氣體)具有相似的響應特性，很難準確的識別相關(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”目標的提出，可燃氣體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)域的應用以外，新興的應用場景如燃料電池、電化學儲能以及摻氫甲烷燃料等技術(shù)領(lǐng)域?qū)扇細怏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準。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)測預警具有重要意義。

為解決半導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。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與其他典型可燃氣體的響應特性完全獨立，這意味著僅基于原始電學響應信號即可實現(xiàn)對氫氣的準確識別，從而擺脫了對復雜傳感矩陣設計的依賴。

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型半導體響應特征的轉(zhuǎn)變相吻合，為Pd元素在高選擇性材料中的應用提供了更加深入的理論基礎。

圖2在室溫下傳感器對氫氣的獨特高選擇性響應特性

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基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金的資助。