化學與材料科學 - 港科大范智勇教授課題組 Small：溫度調製3D納米管陣列傳感器實現干擾氣氛中痕量二氧化氮的選擇性檢測－鑽石舞台

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半導體電阻式氣體傳感器在空氣質量監測、工農業生產過程控制以及人體健康檢測等方面扮演着重要角色，特別是對痕量二氧化氮（NO2）的選擇性檢測具有重要意義。環境中NO2主要來源於化石燃料的燃燒，會對人類的呼吸系統造成負面影響；另外，NO2還是一種重要的內源性氣體，對其精準識別可用於潛在的如哮喘、炎症性腸道等疾病的快速診斷。然而，實際環境中NO2並非單獨存在，往往存在一些干擾性氣體（如甲醛、甲苯、丙酮、SO2等），在這些干擾氣氛下實現痕量NO2的選擇性檢測仍具挑戰性。

香港科技大學范智勇教授課題組在《Small》期刊上發表了題為：「Temperature-Modulated Selective Detection of Part-per-Trillion NO2Using Platinum Nanoclusters Sensitized 3D Metal Oxide Nanotube Arrays」的文章（DOI:10.1002/smll.202203212）。課題組設計製備了一種微加熱器集成式3D納米管陣列氣體傳感器，利用其溫度調製效應實現了干擾氣氛中痕量NO2的選擇性檢測。首先，利用原子層沉積（ALD）工藝在多孔的3D陽極氧化鋁（AAO）上沉積厚度約為10 nm左右SnO2薄膜，並在其表面修飾Pt納米糰簇，形成3D管陣列結構作為傳感層；繼而在AAO的頂部蒸鍍Au作為傳感電極，底部蒸鍍Pt作為加熱電極，以此製備出加熱一體化的集成式氣體傳感器。3D納米管狀陣結構具有較大的比表面積，為氣體吸附提供更多的活性位點；系統的表徵結合理論計算研究表明，Pt納米糰簇修飾的修飾不僅可以提高材料對目標氣體NO2的吸附能（Eads），還降低了活化能（Ea），從而加速了NO2與材料表面的化學反應。而這大大提高了氣體傳感器對NO2檢測的靈敏度，最低檢測下限可達107 ppt（兆分之一）。另外，通過集成式加熱器的溫度調製作用，在最佳工作溫度（~200 oC）下實現了不同干擾氣氛下（如SO2、甲醛、丙酮、甲苯等）對痕量NO2的選擇性檢測。此外，我們還構建了一個集成了傳感器、微控制器（MCU）和藍牙單元的便攜式氣體傳感器系統，成功將其用於實際室內以及道路上NO2氣體的遠程實時監控。該氣體傳感器的合理設計和成功演示可為未來智能家居和智能城市空氣質量監測應用提供參考。

香港科技大學宋志龍博士為該論文的第一作者，范智勇教授為通訊作者。

圖1DFT理論計算：a）不同金屬（Pt、Pd、Au）修飾SnO2（101）的結構優化；b）材料對NO2的吸附能及其引起N-O鍵長變化對比

圖2a）兩步ALD法製備Pt納米糰簇修飾的3D SnO2納米管陣列示意圖；b）ALD工藝沉積SnO2和Pt機理圖

圖3傳感器結構：a）負載Pt/SnO2的3D多孔AAO；b）集成在2cm*2cmAAO上的3* 4個傳感器；c）單個傳感器結構示意圖；d,e）傳感器結構SEM圖及其傳感材料HRTEM圖；f）XRD；g）Pt XPS；h）Sn XPS；i）O XPS

圖4傳感器性能對比：a）對比不同溫度下氣體傳感器的NO2響應性能，確定最佳工作溫度（40 mW, ~200℃）；b, c）氣體傳感器在最佳工作溫度下對不同濃度NO2（20-1000 ppb）在不同RH（0-70%）的響應曲線和響應值對比；d）氣體傳感器對低濃度NO2響應的響應曲線（最低可達400 ppt）；e）氣體傳感器響應值與濃度的線性擬合曲線（理論檢測下限為107 ppt）；f）氣體傳感器的長期穩定性測試

圖5氣體傳感器選擇性測試：a-d）不同工作溫度下（150/200/250/300℃）氣體傳感器對不同氣體的響應值對比圖；e-f）在不同濃度干擾氣體存在的環境中，氣體傳感器對不同濃度NO2（20-1000 ppb）的響應值變化；i-l）目標氣體NO2與不同濃度干擾氣體混合情況下氣體傳感器對NO2的響應能力