中國科大在多維探測和識別的氣體傳感器方面取得進展
時間：2023-06-24 00:14:36
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近日，中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室易建新副教授課題組提出一種化學電阻-電位型多變量傳感器，實現了單一傳感器對多種氣體和火災特征的三維探測和準確識別。相關成果以“A chemiresistive-potentiometric multivariate sensor for discriminative gas detection”為題發表在國際學術期刊《自然·通訊》上（Nature Communications 14,2023, 3495）。
低濃度氣體的高靈敏探測和準確識別對于公共安全、環境保護、健康診斷和工業生產等諸多應用具有重要意義。相比于氣相色譜和質譜等傳統氣相分析技術，氣體傳感器具有成本低、尺寸小、易集成和實時監測等優點，有利于大規模應用。但是，常規傳感器僅輸出單一信號，不能識別氣體，因此探測準確性低，在實用中易受其它氣體或環境濕度等干擾而引起誤報或漏報。這一問題嚴重限制了氣體傳感器的應用。
圖1 基于雙敏感電極的化學電阻-電位型多變量氣體傳感器的原理和三維響應
研究人員首先利用半導體氧化物電極在表面和界面上不同的響應機制，在同一電極上成功提取出化學電阻和電位兩種不同原理的傳感信號；進一步，采用鈣鈦礦型氧離子-電子混合導體氧化物取代貴金屬鉑電極，和常規的電子導電的敏感材料進行配對，獲得了輸出三個獨立響應信號的雙敏感電極傳感器。得益于鈣鈦礦非常規的反向電位響應，傳感器的氣敏性能得到了顯著提高，實現了2-乙基己醇、一氧化碳等多種危險和火災特征氣體的(亞)ppm級三維探測和準確識別，并展現出在火災危險早期預警方面的應用潛力。
圖2 多變量氣體傳感器在火災早期預警中的應用
這種兼具探測和識別功能的多變量氣體傳感器簡單、高效、成本低，可適用于不同半導體材料電極和固體電解質基底，工作溫度范圍寬，并可進一步拓展獲得更高維度的響應，為復雜環境中氣體的高靈敏和準確探測提供了新思路。
論文的第一作者為宋衛國研究員和易建新副教授共同指導的博士生張紅，通訊作者為易建新副教授。研究得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金和中央高校基本科研業務費的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-39213-x
