在各種氣體傳感器技術中，基于靜電紡絲技術的半導體金屬氧化物（SMO）氣體傳感器因其靈敏度高、響應速度快、成本低、長期穩(wěn)定性好而備注關注，已成為用于檢測空氣中有毒和爆炸性氣體的關鍵手段。基于靜電紡絲技術制備的半導體金屬氧化物具有諸多獨特優(yōu)勢，包括高孔隙率、大比表面積、形態(tài)與成分可調(diào)以及結(jié)構(gòu)設計多樣化，這些特性極大地增強了其用于氣體傳感的性能。

圖1 基于靜電紡絲技術的半導體金屬氧化物氣體傳感器及其應用

圖2 基于靜電紡絲技術制備納米纖維的示意圖

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，海南大學宋明歆副教授團隊在Sensors期刊上發(fā)表了一篇題為“Gas Sensors Based on Semiconductor Metal Oxides Fabricated by Electrospinning: A Review”的綜述文章，探討了基于靜電紡絲技術制備的半導體金屬氧化物氣體傳感器的研究進展，并分析了提高氣體傳感器靈敏度的有效策略，包括調(diào)整半導體金屬氧化物微觀結(jié)構(gòu)、采用貴金屬修飾、引入金屬摻雜以及開發(fā)復合材料等。最后展望了該領域面臨的挑戰(zhàn)和未來前景，希望通過推動復雜多孔半導體金屬氧化物材料的研究，為下一代高效氣體傳感器的開發(fā)鋪平道路。

基于單一半導體金屬氧化物的氣體傳感器性能

對于單一半導體金屬氧化物而言，其微觀結(jié)構(gòu)，尤其是晶粒尺寸和比表面積，是決定氣體傳感性能的關鍵因素。靜電紡絲技術可以通過調(diào)整這些微觀結(jié)構(gòu)來顯著提升其氣體傳感性能，它能夠精確控制材料的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、成分甚至宏觀外觀。雖然靜電紡絲技術能夠有效提升半導體金屬氧化物氣體傳感器的靈敏度，但同時也可能影響其選擇性。為了確保傳感器在復雜氣體環(huán)境中的有效性，需要采用增強選擇性的方法，例如摻雜金屬或創(chuàng)建復合結(jié)構(gòu)。

圖3 具有更大比表面積的創(chuàng)新納米結(jié)構(gòu)

基于貴金屬修飾半導體金屬氧化物的氣體傳感器性能

貴金屬基傳感材料因其獨特的反應性、優(yōu)異的催化活性以及小尺寸特性，引起了廣泛的研究興趣。利用貴金屬來提升氣體傳感性能已經(jīng)成為一種有效的手段，并已廣泛用于改良半導體金屬氧化物。常見的貴金屬，例如金（Au）、鉑（Pt）、鈀（Pd）、銀（Ag）和銠（Rh），通常用作半導體金屬氧化物的敏化劑。目前對貴金屬敏化機理的研究主要集中在幾個關鍵方面：（1）電子敏化，通過重新分配電荷載流子；（2）化學敏化，通過降低傳感反應的活化能；（3）增強目標氣體和負氧離子的吸附，從而降低吸附活化能。

圖4 通過貴金屬修飾半導體金屬氧化物提升氣體傳感性能

基于金屬離子摻雜半導體金屬氧化物的氣體傳感器性能

摻雜金屬雜質(zhì)是一種通過增加表面晶格缺陷和氧空位來提升半導體金屬氧化物氣體傳感性能的有效方法。此外，摻雜敏化還能通過引入新的供體或受體狀態(tài)來提高自由電荷載流子濃度，這是提升半導體金屬氧化物氣體傳感性能的另一個重要途徑。相比之下，傳統(tǒng)的合成方法，例如水熱合成、溶膠-凝膠合成和模板技術，通常面臨操作復雜和產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。靜電紡絲技術則提供了一種有前途的替代方案，它通過使用溶液中的聚合物作為模板，為金屬離子的精確摻雜營造受控環(huán)境，使得摻雜比例可以精確調(diào)節(jié)，從而顯著提升氣體傳感器的制備可靠性和性能。

圖5 通過金屬離子摻雜半導體金屬氧化物提升氣體傳感靈敏度和選擇性

基于復合半導體金屬氧化物的氣體傳感器性能

氣體傳感器技術的最新進展主要集中在利用靜電紡絲技術制備復合半導體金屬氧化物材料，重點是集成新型材料和結(jié)構(gòu)，以提升半導體金屬氧化物的氣體傳感性能。靜電紡絲技術有效地利用了這些復合材料的獨特性能和協(xié)同效應。受這些特性的啟發(fā)，研究人員開發(fā)出了各種具有卓越靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性的氣體傳感器，并顯著降低了其工作溫度。

圖6 基于半導體金屬氧化物核殼和層結(jié)構(gòu)復合材料提升氣體傳感性能

研究結(jié)論與展望

在環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)安全領域，基于靜電紡絲技術的半導體金屬氧化物氣體傳感器，以其卓越的靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性，而處于領先地位。靜電紡絲技術的應用標志著氣體傳感器設計的新時代。

近年來，基于靜電紡絲技術的半導體金屬氧化物氣體傳感器受到廣泛研究，并已取得顯著進展。然而，若要實現(xiàn)其廣泛應用，仍需解決許多技術挑戰(zhàn)。特別是在氣體傳感器的設計中，必須考慮傳感器的穩(wěn)定性和濕度等環(huán)境因素的影響。此外，降低能耗和工作溫度對于促進這些傳感器的實際應用至關重要。

展望未來，為了更好地滿足實際應用的需求，還需要深入研究新型介孔半導體金屬氧化物材料（例如多組分材料和異質(zhì)結(jié)材料）以及柔性傳感器件。這些具有單原子摻雜、二維結(jié)構(gòu)和一維納米線異質(zhì)結(jié)的介孔半導體金屬氧化物材料，將在開發(fā)高性能小型化氣體傳感器方面展現(xiàn)出巨大潛力。

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