综述:基于热敏膜(TMDs)的氨气传感器的进展与最新研究:材料、应用及前景

时间:2026年2月7日
来源:Microchemical Journal

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基于过渡金属二硫化物(TMDs)的氨气传感器研究进展,涵盖材料创新、光辅助增强、自供电技术发展、多领域应用及传感机制,并探讨了现存挑战与未来方向。

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李明|唐成利
嘉兴大学材料与纺织工程学院,中国嘉兴314001

摘要

过渡金属硫属化合物(TMDs)作为化学传感材料展现出巨大潜力,尤其是在氨气检测方面。它们在室温下的优异传感性能满足了低功耗和集成式传感系统的基本要求。过去十年中,基于TMDs的氨气传感器在材料创新、传感机制深入探索以及实际应用示范方面取得了显著进展。本文系统地总结了这些进展,重点关注了原始TMDs的结构设计与合成方法,以及含有TMDs的二元和三元复合材料。此外,我们还讨论了光照作为有效辅助策略在提升传感器响应速度和恢复动态方面的作用。文中还全面介绍了基于自供电TMDs的氨气传感器这一新兴领域,这类传感器利用能量收集技术实现自主运行。从应用角度来看,这些传感器在农业监测(如肥料泄漏检测)、医疗诊断(如呼吸分析)和食品安全控制(如食品变质检测)等多个领域具有巨大潜力。氨气传感机制从能带隙理论和吸附-电荷转移-解吸过程等方面进行了详细阐述。最后,我们指出了基于TMDs的氨气传感器目前面临的核心挑战,并提出了潜在的解决方案和未来研究方向,以促进其实际应用。

引言

氨是一种主要的空气污染物,来源于含氮作物的种植、工业废水排放和车辆尾气排放[1]。长期暴露于氨气可能导致呼吸系统疾病,在极端情况下甚至会导致呼吸衰竭[2]。因此,准确检测有毒气体受到了广泛关注。在这方面,高性能NH3气体传感器的开发对于大气环境监测和人类健康监测具有重要意义。氨气传感器的发展始于早期的化学吸收和物理检测方法。前者基于氨与酚酞、奈斯勒试剂或其他特定试剂之间的颜色反应进行定性或半定量分析;后者则利用氨的物理或化学性质(如腐蚀性、导热性)实现间接测量[3],[4]。尽管这些方法为氨气检测提供了初步手段,但精度有限且操作复杂,难以满足实时检测的需求。
为了满足检测需求,氨气传感器技术应运而生。基于化学阻变原理的氨气传感器因其结构简单而被广泛应用。氨分子在半导体表面的吸附和解吸会引发导电性的变化,从而实现定量检测。金属氧化物半导体(MOSs)是主要的氨气敏感材料之一。然而,MOSs的工作温度较高,限制了其在可穿戴和柔性传感场景中的应用[5],[6]。过渡金属硫属化合物(TMDs)属于二维材料家族,在室温下表现出良好的氨气响应性能。其高比表面积、层状结构、优异的导电性和丰富的活性位点使其成为理想的氨气敏感材料。此外,层状结构通过调节、改性或复合处理可进一步提升其传感性能[5]。然而,TMDs的多层结构也带来了一些限制,例如由于层间范德华力的存在,解吸过程延迟,导致恢复时间延长,从而影响对气体浓度动态变化的实时响应[7]。氨气传感器的应用范围正在扩展到农业、畜牧业、食品储存和医疗领域[8],[9],[10],[11],[12]。已有大量研究致力于改进TMDs基氨气传感器的传感性能并阐明其传感机制。构建少层/单层结构以减少层间吸附、引入表面缺陷或异质界面以增强气体分子吸附-解吸动力学,以及设计掺杂或复合系统以优化电荷转移效率,已被证明是提升氨气传感效果的有效方法。
虽然已有关于TMDs基气体传感器[7]和氨气传感器[13]的综述,但尚未有专门针对TMDs基氨气传感器的综述。本文将系统地总结并深入讨论TMDs基氨气传感器的研究进展,包括传感材料的发展、光辅助增强机制、研究趋势、应用领域以及传感机制的研究。最后部分还探讨了面临的挑战和未来发展方向(图1)。

基于TMDs的氨气传感器材料

TMD是一种典型的二维材料,由过渡金属原子和硫族元素原子组成,其通用化学式为MX2,其中M代表IV、V或VI族过渡金属(如Mo或W),X代表硫族元素(S、Se或Te)。M和X离子的价态分别为+4和-2[14]。在单个MX2层中,M原子通常通过共价键被夹在X原子之间

光辅助氨气传感增强

如前所述,TMD材料的一个显著特点是它们可调的能带隙。光作为一种能量形式,可用于调节半导体能垒,从而实现光辅助传感。可见光、红外光和紫外光(UV)都被证明可以增强TMDs的气体传感性能[93],[94]。光辅助传感的核心原理是改变气体敏感材料的电子状态或直接驱动化学反应

自供电:基于TMDs的传感器发展趋势

自供电是包括气体传感器在内的各种传感器的趋势,这一趋势源于对低功耗、集成化以及某些无法配置电源场景的需求[105],[106],[107]。自供电传感在物联网、可穿戴设备和环境监测领域具有重要的应用价值。实现自供电气体传感有两种方法:一种是将纳米发电机(摩擦电或压电)与气体传感技术结合使用

基于TMDs的氨气传感器的应用

氨气传感器的发展得益于其在环境气体监测和医疗诊断(如呼出气体检测)等领域的应用需求[121]。环境气体浓度监测可进一步细分为农业环境和食品储存与运输等不同场景。以下将概述在这些相关领域中基于TMDs的氨气传感器的研究进展

基于TMDs的传感器的氨气传感机制

深入了解其背后的传感机制是制定合理有效敏化策略的理论基础。气体传感过程可分为三个步骤:吸附、载流子转移和生成传感产物。需要从这三个方面明确详细的传感机制。
有效吸附气体分子是后续过程的前提。物理吸附和化学吸附都是可行的方法

挑战与前景

在实际应用中,调节气体传感器的关键性能指标(KPIs)一直是一个长期存在的挑战。除了第6节提到的基于TMDs的氨气传感器的传感机制研究外,仍需持续研究不同气体之间的交叉敏感性、环境湿度的影响以及传感器的长期稳定性等问题。

作者贡献声明

李明:撰写——初稿,可视化设计。唐成利:撰写——审稿与编辑,指导工作。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(项目编号:61704067)和浙江省高层次人才项目的支持。

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