基于静电纺丝技术的SMO气体传感器研究进展综述

在各种气体传感器技术中，基于静电纺丝技术的半导体金属氧化物（SMO）气体传感器因其灵敏度高、响应速度快、成本低、长期稳定性好而备注关注，已成为用于检测空气中有毒和爆炸性气体的关键手段。基于静电纺丝技术制备的半导体金属氧化物具有诸多独特优势，包括高孔隙率、大比表面积、形态与成分可调以及结构设计多样化，这些特性极大地增强了其用于气体传感的性能。

图1 基于静电纺丝技术的半导体金属氧化物气体传感器及其应用

图2 基于静电纺丝技术制备纳米纤维的示意图

据麦姆斯咨询报道，近期，海南大学宋明歆副教授团队在Sensors期刊上发表了一篇题为“Gas Sensors Based on Semiconductor Metal Oxides Fabricated by Electrospinning: A Review”的综述文章，探讨了基于静电纺丝技术制备的半导体金属氧化物气体传感器的研究进展，并分析了提高气体传感器灵敏度的有效策略，包括调整半导体金属氧化物微观结构、采用贵金属修饰、引入金属掺杂以及开发复合材料等。最后展望了该领域面临的挑战和未来前景，希望通过推动复杂多孔半导体金属氧化物材料的研究，为下一代高效气体传感器的开发铺平道路。

基于单一半导体金属氧化物的气体传感器性能

对于单一半导体金属氧化物而言，其微观结构，尤其是晶粒尺寸和比表面积，是决定气体传感性能的关键因素。静电纺丝技术可以通过调整这些微观结构来显著提升其气体传感性能，它能够精确控制材料的形态、结构、成分甚至宏观外观。虽然静电纺丝技术能够有效提升半导体金属氧化物气体传感器的灵敏度，但同时也可能影响其选择性。为了确保传感器在复杂气体环境中的有效性，需要采用增强选择性的方法，例如掺杂金属或创建复合结构。

图3 具有更大比表面积的创新纳米结构

基于贵金属修饰半导体金属氧化物的气体传感器性能

贵金属基传感材料因其独特的反应性、优异的催化活性以及小尺寸特性，引起了广泛的研究兴趣。利用贵金属来提升气体传感性能已经成为一种有效的手段，并已广泛用于改良半导体金属氧化物。常见的贵金属，例如金（Au）、铂（Pt）、钯（Pd）、银（Ag）和铑（Rh），通常用作半导体金属氧化物的敏化剂。目前对贵金属敏化机理的研究主要集中在几个关键方面：（1）电子敏化，通过重新分配电荷载流子；（2）化学敏化，通过降低传感反应的活化能；（3）增强目标气体和负氧离子的吸附，从而降低吸附活化能。

图4 通过贵金属修饰半导体金属氧化物提升气体传感性能

基于金属离子掺杂半导体金属氧化物的气体传感器性能

掺杂金属杂质是一种通过增加表面晶格缺陷和氧空位来提升半导体金属氧化物气体传感性能的有效方法。此外，掺杂敏化还能通过引入新的供体或受体状态来提高自由电荷载流子浓度，这是提升半导体金属氧化物气体传感性能的另一个重要途径。相比之下，传统的合成方法，例如水热合成、溶胶-凝胶合成和模板技术，通常面临操作复杂和产品质量不稳定的问题。静电纺丝技术则提供了一种有前途的替代方案，它通过使用溶液中的聚合物作为模板，为金属离子的精确掺杂营造受控环境，使得掺杂比例可以精确调节，从而显著提升气体传感器的制备可靠性和性能。

图5 通过金属离子掺杂半导体金属氧化物提升气体传感灵敏度和选择性

基于复合半导体金属氧化物的气体传感器性能

气体传感器技术的最新进展主要集中在利用静电纺丝技术制备复合半导体金属氧化物材料，重点是集成新型材料和结构，以提升半导体金属氧化物的气体传感性能。静电纺丝技术有效地利用了这些复合材料的独特性能和协同效应。受这些特性的启发，研究人员开发出了各种具有卓越灵敏度、选择性和稳定性的气体传感器，并显著降低了其工作温度。

图6 基于半导体金属氧化物核壳和层结构复合材料提升气体传感性能

研究结论与展望

在环境监测和工业安全领域，基于静电纺丝技术的半导体金属氧化物气体传感器，以其卓越的灵敏度、选择性和稳定性，而处于领先地位。静电纺丝技术的应用标志着气体传感器设计的新时代。

近年来，基于静电纺丝技术的半导体金属氧化物气体传感器受到广泛研究，并已取得显著进展。然而，若要实现其广泛应用，仍需解决许多技术挑战。特别是在气体传感器的设计中，必须考虑传感器的稳定性和湿度等环境因素的影响。此外，降低能耗和工作温度对于促进这些传感器的实际应用至关重要。

展望未来，为了更好地满足实际应用的需求，还需要深入研究新型介孔半导体金属氧化物材料（例如多组分材料和异质结材料）以及柔性传感器件。这些具有单原子掺杂、二维结构和一维纳米线异质结的介孔半导体金属氧化物材料，将在开发高性能小型化气体传感器方面展现出巨大潜力。

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

 

审核编辑：刘清