化学电阻式气体传感器的选择性策略与挑战

人们对监测代谢紊乱及非传染性疾病、防范有害温室气体和/或爆炸性气体以及确定食品新鲜度的健康意识不断提高，进而推动了市场对高性能化学气体传感器的需求激增。经过多年的专注研究，业界已经实现了对多种气体具有显著灵敏度的化学电阻式气体传感器。然而，选择性差、响应/恢复速度慢等关键问题仍持续阻碍它们的大规模商业化。

通常，化学电阻式传感器基于检测气体传感材料在暴露于含气体环境中的电导率变化而工作。原始形态的半导体金属氧化物（SMO）以及它们的复合物和贵金属改性形态，代表了研究最广泛的化学电阻式材料类别。目标气体与SMO之间的相互作用主要基于与吸附在SMO表面的含氧或羟基相关物质的相互作用。除了SMO之外，例如金属、金属合金/复合材料、共轭聚合物、碳纳米管、各种二维材料、过渡金属二硫族化合物（TMD）、氮化物、溴化物、MXene、磷烯以及导电金属有机框架（cMOF）也被认为是具有极高潜力的气体传感应用平台。这些材料的气体传感机制通常依赖于传感层与目标气体之间的直接电荷交换。

总体而言，化学电阻式传感器较差的选择性一直对其商业化构成重大挑战。下图展示了广泛用作化学电阻式气体传感器的材料以及提高其选择性的常用方法。

传统和新兴化学电阻式气体传感器材料示意图，以及提高对目标气体选择性的策略。

据介绍，韩国科学技术院（KAIST）的研究人员近期在Chemical Reviews上发表了一篇题为“Selectivity in Chemiresistive Gas Sensors: Strategies and Challenges”的综述性文章。研究人员全面综述了近年来用于在化学电阻式气体传感器中实现选择性的新兴策略，重点关注了相关的机遇和挑战，还提供了对该领域当前进展以及未来展望的评估。

半导体金属氧化物（SMO）化学电阻式传感器的选择性

基于SMO的化学电阻式传感器因其工作原理简单、性能稳定而备受青睐，但一直存在气体选择性差的问题。这一局限源自未改性SMO的传感机制主要基于载流子调制，缺乏对特定气体的特异性，这仍然是它们更广泛应用的主要挑战。

原始SMO存在一些关键限制，阻碍了其气体传感性能的提高，例如受体可用性有限，以及在接触多种分析物时存在非特异性吸收等。尽管已有研究致力于解决这些限制，但由于催化剂的负载量、形状，SMO的形貌和晶粒尺寸，缺陷的类型，杂质的存在以及传感条件（湿度和温度）等多种因素，其选择性偏差仍然存在。

由Pd掺杂SnO₂传感层和分离柱（Tenax TA）组成的便携式甲醇气体检测器

因此，需要进一步研究以理解SMO的选择性机制，具体包括：（1）催化剂的量、组成和形状，（2）主体SMO的形貌，以及（3）传感条件。这些策略结合持续的材料创新，以在各种恶劣环境条件下实现可靠的性能，以及平衡的选择性、响应性和响应动力学。

金属和非金属基化学电阻式传感器的选择性

金属和非金属基化学电阻式传感器的响应、选择性和响应/恢复速率等性能指标，取决于敏感元素与气体分析物相互作用时的反应性。虽然许多元素对气体分子几乎没有亲和力或表现出非常弱的化学相互作用，但钯、铂和硅等特殊候选物可以表现出对各种气体的显著选择性。这类不同形态的材料可以通过多种创新方法合成，并显示出作为高选择性化学电阻式气体传感器的巨大潜力。在论文中，研究人员讨论了原始金属、非金属和金属合金/复合材料作为具有特定选择性化学电阻式气体传感器的应用研究。

Pd/Mg涂层多孔硅的放大横截面视图，Pd/Mg纳米线网格对测试气体的选择性研究

共轭聚合物基化学电阻式传感器的选择性

共轭聚合物及其复合材料因其独特的电子结构，在高性能化学电阻式气体传感器领域具有巨大潜力，不过，它们仍然面临若干关键挑战。其中，共轭聚合物在原始形态固有的低电导率，限制了共轭聚合物材料在该领域应用的广泛选择。此外，由于可能存在与不同分析物广泛的相互作用，实现对特定气体的选择性检测仍具有挑战性。为解决这些问题，已有研究采用掺杂和官能化等策略来提高共轭聚合物的电导率，并定制其与特定目标气体的反应活性。然而，这些改性可能会引入传感器性能的复杂性和可变性。

基于半导体聚合物复合材料的气体传感器示意图，以及对多种气体分析物的选择性传感性能研究

将共轭聚合物与其他材料（例如碳纳米材料、金属和多孔无机框架等）结合，可以通过提供额外的活性位点，并在与气体分析物反应时促进电荷转移来提高选择性和灵敏度。对共轭聚合物材料进行纳米图案化，并在原位生长薄层多孔无机材料作为覆盖层以构建非均相结构，有望通过构建非均相接触并构建筛分膜来控制气体选择性，进一步增强气体传感性能。

另一方面，通过将仿生聚合物与先进纳米结构相结合，未来的气体传感技术能够克服与灵敏度、选择性和多功能性相关的挑战，为能够在实际条件下检测多种分析物的稳健可靠的系统铺平道路。

基于二维材料的化学电阻式传感器的选择性

对高灵敏度、高选择性和快速响应/恢复的先进纳米级传感材料的需求，推动了人们对二维材料作为传感层应用的深入研究，特别是石墨烯、石墨烯衍生物和过渡金属二硫族化物。理想情况下，二维材料的独特特性，例如优异的电荷传输、原子级厚度和大比表面积，赋予了丰富的反应位点，这是气体吸收的重要前提条件。研究人员详细阐述了提高二维材料对各种气体选择性的最新优化策略，重点聚焦了材料设计、表面修饰和功能化以及缺陷工程。

金属修饰的石墨烯气体传感器及其机制研究

总结与展望

在这篇综述中，研究人员重点关注了文献已有报道的用于提高化学电阻式气体传感器选择性的策略。各种机制依赖于多种因素，例如目标气体类型、材料特性、催化剂的影响，以及合成和工作条件等。虽然化学电阻式气体传感器，尤其是基于半导体金属氧化物（SMO）的传感器，已经对各种气体表现出合适的灵敏度，但由于受体可用性有限，以及暴露于多种分析物时的非特异性吸收，单个传感器元件对特定气体的选择性检测仍然具有挑战性。为此，利用催化剂进行功能化和/或缺陷工程是克服这些挑战的有前景的方法。然而，目前的技术和合成方法在控制催化剂的尺寸以及在SMO表面的分布方面仍存在局限性，这仍然是未来研究的重要课题。

基于多模态传感、传感器阵列、PCA/深度学习技术和气体分离柱的下一代人工嗅觉

对于金属、非金属以及金属基合金/复合材料而言，缺乏针对多种气体的本征受体似乎是其主要的限制因素。不过，实现显著结构和功能多样性以改进气体受体，从而提升气体传感性能的途径仍然存在。另一方面，可以采用先进的合成技术来定制某些二维材料，以表现出更高的灵敏度、更短的响应/恢复时间以及对广泛气体的选择性。

对于新发现的二维材料（例如MXene和磷烯），它们展现出可调的功能特性，从而引发了对其化学电阻式气体传感特性的诸多研究。具体来说，MXene表现出可调谐的电子特性和终止基团，磷烯表现出褶皱状晶格结构和可调的直接带隙。这些特性为对含氮气体的特殊选择性提供了令人兴奋的前景。另外，像MXene这样的材料已经展现出可调的物理化学特性，这些特性是分子筛/选择性膜的关键先决条件。这使得它们可以作为过滤层，进一步优化选择性。未来的研究或许能利用这些新见解，将二维材料覆盖层整合到SMO和金属复合材料等活性传感表面上。

提高化学电阻式气体传感器的选择性，可以有力扩展当前气体传感器系统在医疗诊断、环境监测和安全保障方面的功能性。可以说，高选择性化学电阻式气体传感器最具影响力的应用，是用于监测人类健康的非侵入式气体传感平台，通过检测和分析人体呼气中的气体，可以指示多种非传染性疾病。总体而言，在化学电阻式传感器中实现高选择性，是未来气体传感器开发的关键任务，将在广泛的应用中确保人类的健康和安全。