新型传感器材料：守护你的呼吸安全

新型传感器材料：守护你的呼吸安全

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https://blog.sciencenet.cn/blog-3411509-1463326.html

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https://m.sohu.com/a/748778198_121124378/?pvid=000115_3w_a

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https://www.nmsci.cn/nmsci/13912

随着空气污染问题日益严重，气体泄漏监测变得尤为重要。新型传感器材料如金属氧化物和金属硫化物因其高灵敏度和快速响应时间，在气体检测领域备受关注。这些材料能够有效监测NH3、CO2、CH4等多种有害气体，为保护人类健康提供有力保障。通过物联网技术的应用，未来有望开发出更加智能高效的气体泄漏检测仪，进一步提升环境安全性。

近年来，一种名为MXenes的新型二维材料在气体传感领域引起了广泛关注。MXenes具有层状结构、丰富的表面官能团和优异的电流传导性，使其在室温下就能检测NH3、NO2等气体，无需传统半导体所需的200-400℃高温。

然而，MXenes对多种气体都敏感，选择性较差。为解决这一问题，研究人员将其与石墨烯、金属氧化物等材料复合，通过表面改性提高其特定气体传感特性。例如，MXene/石墨烯复合材料可以改善对VOCs的选择性，而MXene/金属氧化物复合材料则能增强对NO2的检测能力。

金属氧化物半导体是目前研究最深入的气体传感材料之一。传统上，这类材料需要在高温下工作，功耗大且便携性差。复旦大学卢红亮课题组的研究表明，通过贵金属纳米颗粒修饰，可以实现室温工作，大幅降低功耗。

贵金属纳米颗粒如Pt、Pd、Au和Ag等，能提高材料的表面活性，促进气体分子的催化分解，从而提高传感器的响应和选择性。此外，有机聚合物、碳基材料和二维过渡金属硫化物的修饰也能优化其性能。这些改进不仅降低了工作温度，还提高了传感器的便携性和应用场景。

石墨烯因其高导电性和大比表面积而被广泛用于气体传感，但其选择性较差。通过与金属硫化物复合，可以显著提高其选择性和检测灵敏度。研究表明，基于石墨烯-金属硫化物复合材料的气体传感器检测限可低至0.6 ppb。

具体应用中，MoS2-石墨烯复合材料对NO2有优异的检测性能；SnS-石墨烯复合材料则在丙酮气体检测中表现出色；WS2-石墨烯复合材料能有效检测低浓度NO2；CdS-石墨烯复合材料则在多种气体检测中展现出高灵敏度和选择性。

结合人工智能算法和物联网技术，智能气体传感器正在向多功能、实时监测方向发展。同济大学毛舜团队的研究显示，通过传感器阵列和模式识别算法，可以实现对复杂气体混合物的准确识别。

智能气体传感器不仅应用于环境监测和工业安全，还在医疗诊断、食品质量控制等领域展现出广阔前景。例如，通过监测呼出气体中的特定物质，可以实现疾病的早期诊断；在智慧农业中，可以实时监测土壤和空气中的气体成分，优化农业生产。

尽管新型传感器材料在气体检测领域取得了显著进展，但仍面临一些挑战。例如，材料的长期稳定性、传感器阵列的一致性、复杂环境下的选择性等问题仍需进一步研究。未来，随着材料科学和人工智能技术的不断发展，气体传感器将向更智能、更精准、更便携的方向发展，为环境保护、公共安全和人类健康提供更有力的技术支持。