文章导读

低成本、高灵敏度的气体传感器在环境、商业和工业应用的各个领域的需求与日俱增，如有害气体监测、安全燃烧过程中的排放控制等。鉴于此，使用金属氧化物半导体 (MOS) 的电阻式气体传感器因其传感性能高、稳定性强、合成和制造成本低而受到广泛关注。本篇发表于 Chemosensors 期刊的综述，由来自仁荷大学的Sang Sub Kim教授等人撰写，重点介绍了用于制造电阻式气体传感器的不同形态的重要MOS，包括量子点、纳米丝、纳米纤维、纳米管等，并对气体传感器制备工艺进行了详尽阐释，对电阻式气体传感器进一步深入研究具有重要意义。

研究过程及结果

1. 基于MOSs的量子点气体传感器

在传感研究中使用新形态的主要目的是增加表面积。表面积越大，吸附位点的可用性越大，从而使气体传感器表面吸附更多的气体分子，同时出现更高的传感信号。量子点 (QDs) 是零维 (0D) 半导体纳米粒子，其中载流子的运动被限制在所有三个方向上。能带之间的能量差值随粒子的大小而变化，且可以通过改变量子点的大小来调节其带隙。因此，量子点的电学性质可以通过控制点的大小来设计。

SnO₂ NPs和SnO₂量子点的传感机理示意图

2. 基于纳米丝的纳米材料气体传感器

SnO2纳米丝 (NWs) 在传感领域非常受欢迎，其带隙为3-4 eV，高电子迁移率 (约160 cm²/Vs) 使其成为传感应用的重要选择。此外，SnO₂纳米丝还具有良好的光学透明性和导电性。研究表明，由于NWs的表面积较大，当NWs的直径小于SnO₂的Debye长度时会产生尺寸效应，SnO₂ NW气体传感器的电极间隙较小，因此在300 ℃温度下观察到SnO₂ NWs比SnO₂ NRs有更大的响应。构建n-n和p-n结是提高基于NW气体传感器灵敏度的常用策略。

3. 基于纳米纤维的MOS气体传感器

纳米纤维 (NFs) 是用于MOS气体传感器的另一种一维材料。与NWs类似，NFs的长宽比超过20，且表面有许多纳米晶粒，进一步增加了表面积。NFs的合成方法多种多样，但通常使用电纺丝 (ES) 技术生产NFs。其制备流程主要是在电纺丝过程中，由液体喷射形成NFs，随后在高压下拉长。

4. 基于纳米管的MOS气体传感器

具有片状形态的二维MOS纳米结构材料因其高比表面积而成为气体传感研究的热门材料。目前已知的石墨烯类似物只有少数二维MOS (MoO₃、WO₃和SnO₂)。二维 (2D) 层状MOS具有较强的面内键和较弱的层间范德华力，气体分子可以吸附在这些位点上，因此，二维层状MOS可用于生产气体传感器。

研究总结

基于MOS的气体传感器因其传感性能高、合成和制造成本低而在各种应用中广受欢迎。许多MOS都可用于生产气体传感器，但大多数研究都涉及n型MOS，特别是SnO₂和ZnO材料。合成MOS NWs和支化NWs的最常用技术之一是气-液-固技术。电纺丝技术主要用于合成具有NFs形态的MOS。分层纳米结构因其易于合成、响应速度快等特性是进行传感研究的最佳材料之一。贵金属通过化学和电子敏化效应提高了传感性能，但要达到最佳性能，必须在表面均匀分散并优化用量。未来的研究重点应该放在生产具有高表面积和高孔隙率的新型形态和一维、二维和三维材料组合。找到MOS、碳纳米材料或氯化石蜡的最佳复合材料，就能制造出适合低温操作的高性能气体传感器。

原文出自 Chemosensors 期刊

Mirzaei, A.; Ansari, H.R.; Shahbaz, M.; Kim, J.-Y.; Kim, H.W.; Kim, S.S. Metal Oxide Semiconductor Nanostructure Gas Sensors with Different Morphologies. Chemosensors 2022, 10, 289. https://www.mdpi.com/2227-9040/10/7/289

Chemosensors 期刊介绍

主编：Nicole Jaffrezic-Renault, University of Lyon, France

期刊范围涵盖化学传感理论；机理和检测原理；开发、制造技术；化学分析方法在食品、环境监测、医药、制药、工业、农业等方面的应用。

2023 Impact Factor：3.7

2023 CiteScore：5.0

Time to First Decision：17.1 Days

Time to Publication：2.6 Days