中国科大在多维探测和识别的气体传感器方面取得进展

近日，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室易建新副教授课题组提出一种化学电阻-电位型多变量传感器，实现了单一传感器对多种气体和火灾特征的三维探测和准确识别。相关成果以“A chemiresistive-potentiometric multivariate sensor for discriminative gas detection”为题发表在国际学术期刊《自然·通讯》上（Nature Communications 14,2023, 3495）。

低浓度气体的高灵敏探测和准确识别对于公共安全、环境保护、健康诊断和工业生产等诸多应用具有重要意义。相比于气相色谱和质谱等传统气相分析技术，气体传感器具有成本低、尺寸小、易集成和实时监测等优点，有利于大规模应用。但是，常规传感器仅输出单一信号，不能识别气体，因此探测准确性低，在实用中易受其它气体或环境湿度等干扰而引起误报或漏报。这一问题严重限制了气体传感器的应用。

图1. 基于双敏感电极的化学电阻-电位型多变量气体传感器的原理和三维响应

研究人员首先利用半导体氧化物电极在表面和界面上不同的响应机制，在同一电极上成功提取出化学电阻和电位两种不同原理的传感信号；进一步，采用钙钛矿型氧离子-电子混合导体氧化物取代贵金属铂电极，和常规的电子导电的敏感材料进行配对，获得了输出三个独立响应信号的双敏感电极传感器。得益于钙钛矿非常规的反向电位响应，传感器的气敏性能得到了显著提高，实现了2-乙基己醇、一氧化碳等多种危险和火灾特征气体的(亚)ppm级三维探测和准确识别，并展现出在火灾危险早期预警方面的应用潜力。

图2. 多变量气体传感器在火灾早期预警中的应用

这种兼具探测和识别功能的多变量气体传感器简单、高效、成本低，可适用于不同半导体材料电极和固体电解质基底，工作温度范围宽，并可进一步拓展获得更高维度的响应，为复杂环境中气体的高灵敏和准确探测提供了新思路。

论文的第一作者为宋卫国研究员和易建新副教授共同指导的博士生张红，通讯作者为易建新副教授。研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。