近日，中国科技大学火灾科学国家重点实验室（以下简称“火灾实验室”）孙金华教授团队提出了基于光刺激PD@MOF衍生多孔纳米复合材料的超高效室温传感气体识别方案，实现了室温下独立传感器对氢气的准确识别。能源与材料领域的国际知名期刊Journal相关研究成果 of Materials Chemistry A上发表的题目是"Ultra-effective room temperature gas discrimination based on monolithic Pd@MOF-derived porous nanocomposites: An exclusive scheme with photoexcitation"期刊同期推荐的封面论文。
期刊封面及推荐页(2024，Volume 12, Issue 7)
半导体的金属氧化物(MOS)化学电阻传感器已成为环境监测和可燃气体检测领域最具发展前景的传感技术之一，具有稳定性高、重复性好、易小型化等显著优点。然而，由于金属氧化物半导体材料表面吸附氧的传感机制，这种传感器通常需要加热到300~500℃的较高工作温度才能实现传感功能。高核心工作温度不仅给可燃气体环境带来了高温点火的潜在风险，而且大大增加了系统的功耗。此外，目前金属氧化物半导体(MOS)基传感器通常具有较高的交叉灵敏度，这意味着相同类型的气体(如H2)、CH4、CO等易燃气体)具有相似的响应特性，在相关场景中很难准确识别泄漏气体的类型。虽然高级传感阵列可以作为气体识别方案，但其高成本和设备尺寸使其难以满足实际应用中对小型化和大规模制造的需求。特别是近年来，随着全球能源危机和“双碳”目标的出现，可燃气体传感器除了应用于石化、航空航天、核能监测等传统工业领域外，燃料电池、电化学储能、氢甲烷燃料等新兴应用场景对可燃气体（特别是氢）的检测提出了更多样化的要求和更高的标准。因此，高选择性气体传感技术在室温下的研发对能源领域的安全发展和监测预警具有重要意义。
为了解决半导体基传感器工作温度高、选择性差的问题，孙金华教授团队提出了材料源设计的有效解决方案，巧妙地实现了材料表面的室温激活，优化了PD@MOF衍生金属氧化物半导体材料的多孔特性和PD纳米组对H2分子的特殊吸附机制，实现了单片传感器在室温下对氢气的独特高选择性响应。该工作发现，传感器对氢的反应与其他典型可燃气体的反应特性完全独立，这意味着只有基于原始电响应信号才能准确识别氢，从而摆脱了对复杂传感矩阵设计的依赖。该工作发现，传感器对氢的反应与其他典型可燃气体的反应特性完全独立，这意味着只有基于原始电响应信号才能准确识别氢，从而摆脱了对复杂传感矩阵设计的依赖。
本研究还通过模拟实际传感过程，系统地进行了相关结构模型的DFT计算，并结合结构理论证明了不同PD表面O2分子和H2分子的特殊吸附行为。理论计算结果与实际实验中产生的N型向P型半导体响应特征的转变相一致，为PD元素在高选择性材料中的应用提供了更深入的理论基础。
图2传感器在室温下对氢气的独特高选择性响应特性
基于实际传感结构的DFT计算和能带结构理论的独特敏感机理研究图3
本研究提出了一种新的“一石两鸟”方案，旨在设计高选择性气体敏感材料，实现室温气体传感，为开发新型光刺激高选择性室温传感器提供坚实的实验参考和理论依据。
消防实验室博士生段佩玉是论文的第一作者，孙金华教授和金凯强副研究员是论文的共同沟通作者，消防实验室是论文的第一完成单位。
国家自然科学基金和中央高校基础科研业务费专项资金资助了该研究。