文章导读

氨气 (NH₃) 作为一种重要的工业原料与环境指标，被广泛应用于化工、农业与食品工业中。然而由于其具有强烈的刺激性和毒性，一旦发生泄漏，极易对人体健康与环境安全造成危害；此外，氨气还作为一种潜在的生物标志物，在肾病患者的呼气中被发现，这为疾病的非侵入式早期诊断提供了新思路。氨气的精准检测对于生产安全与公共健康均具有重要意义。然而，现有市售氨气传感器普遍存在响应速度慢、检测灵敏度低、抗湿性差等痛点，制约了其在复杂环境中的应用，因此，开发一种高灵敏度、快响应、抗湿度干扰能力强的氨气传感器，已成为传感技术研究领域的前沿课题。本篇由电子科技大学Yi Li等人在 Chemosensors 期刊发表的文章介绍了一种基于Pd修饰ZnO六方微盘结构的氨气传感器，展示了如何通过材料结构创新与贵金属修饰实现性能提升，这项研究为高性能NH₃传感器的发展提供了参考。

研究过程及结果

1、材料设计：ZnO六方微盘与贵金属Pd的协同效应

氧化锌 (ZnO) 是一种宽带隙 (3.37 eV) n型半导体，因其热稳定性高、合成方式多样而被广泛用于气体传感器。然而，裸ZnO在NH₃检测中的响应值较低、选择性与响应速度不理想。因此，研究者们采用两种手段进行性能增强：

一是材料改性，如复合导电聚合物 (PANI)、石墨烯、金属氧化物等；

二是结构优化与元素修饰，如掺杂 (Cr、Cd、Mn等) 和贵金属修饰 (Ag、Pt、Au、Pd等)。

本研究采用低温水热法 (80 ℃) 合成出规则的ZnO六方微盘，并引入0.1 wt %的Pd，通过机械混合与后续热处理 (350 ℃退火) 实现Pd修饰，得到Pd-ZnO复合材料 (图1)。六方微盘形貌有利于比表面积的提升，同时Pd的加入增加了氧空位的数量，这些因素均显著提升了材料对NH₃的吸附与反应活性。

图1. (a) ZnO和Pd-ZnO六方微盘的制备工艺示意图；(b) 传感器结构示意图。

2、表征分析：形貌、结构与化学组成

本研究通过一系列表征手段对材料进行系统分析：SEM显微图像显示，ZnO微盘直径约为2 μm，Pd-ZnO在其表面散布微小颗粒 (图2)；XRD分析证实ZnO为六方纤锌矿结构，Pd因掺杂量低未出现明显衍射峰；XPS全谱分析显示Pd元素成功引入材料中；O 1s高分辨光谱分峰结果表明：Pd-ZnO的氧空位含量高于ZnO，增强了材料对NH₃的反应位点 (图3)。这些微观结构与电子结构的优化为后续传感性能提升奠定了物质基础。

图2. (a) ZnO和 (b) Pd-ZnO六方微盘的SEM图像。

图3. (a) ZnO和Pd-ZnO的XRD谱图；(b) ZnO和Pd-ZnO的XPS全光谱；(c) ZnO和 (d) Pd-ZnO的O 1s光谱。

3、气敏性能：响应更快、线性更优、抗湿度能力更强

本研究中传感器通过刷涂法构建，涂层厚度约为40 μm，并使用自研动态气敏测试系统，在0.5–50 ppm NH₃浓度下评估性能，得出以下关键结论：

响应温度：在230 °C时，Pd-ZnO响应值最大 (Ra/Rg=3.9)，呈典型“火山曲线”特征 (图4 a)。

检测线性范围：在0.5–50 ppm范围内呈良好线性拟合关系 (R²接近1) (图4 b)。

响应速度：响应时间仅为23.2秒，恢复时间为271.8秒，快于市售传感器 (如MQ137、TGS826) (图4 c)。

重复性与稳定性：多次循环响应测试无明显漂移，三周内保持良好稳定性。

抗湿性：在10–90%相对湿度 (RH) 下测试，尽管在高湿环境下响应略有下降，但总体影响不大，表现出优异的湿度适应能力。

选择性：面对CO、H₂、CH₄等干扰气体，Pd-ZnO对NH₃仍有明显优先响应，展示良好选择性。

图4. (a) ZnO和Pd-ZnO传感器在不同工作温度下对50 ppm NH₃的气体响应值；(b) Pd-ZnO传感器对0.5-50 ppm NH₃的电阻响应和恢复曲线；(c) 响应与NH₃浓度的线性拟合线；(d) 50 ppm NH₃时的重复响应和恢复曲线；(e) 50 ppm NH₃时的响应和恢复时间。

4、机理分析：氧空位与Pd催化协同增强响应

ZnO为n型半导体，其气敏机制基于气体吸附过程中电子传输行为的改变：在空气中，O₂吸附表面并获取电子形成O^-，增加阻抗；暴露于NH₃后，NH₃与表面O^⁻发生氧化反应释放电子，降低电阻；Pd作为贵金属，具有催化活性与电子富集能力，能促进NH₃分解并生成更多O⁻物种；此外，Pd引入引发更多氧空位，进一步促进NH₃的物理吸附和电子交换。综合来看，Pd-ZnO表现出比纯ZnO更高的灵敏度和响应速度。

研究总结

综上所述，本研究系统地报道了一种基于Pd装饰ZnO六方微盘的新型NH₃气体传感器的设计、合成、表征与性能评估。通过低温水热法合成规则ZnO微盘，再结合Pd修饰和退火处理，构筑出一种具备高表面活性与丰富氧空位的气敏材料，成功实现对氨气的高效检测。性能测试结果显示，该传感器不仅在0.5–50 ppm范围内表现出良好的线性响应关系，其响应时间也仅为23.2秒，远优于传统ZnO或商业SnO₂类传感器。本研究不仅从材料层面对ZnO传感器的性能瓶颈给出了解决方案，也在传感器应用层面提供了可行路径。未来，若进一步优化Pd掺杂浓度与膜层厚度，并探索室温工作条件下的性能表现，该类器件有望向便携式、集成化方向发展，成为下一代高性能气体检测平台的核心元件。

原文出自 Chemosensors 期刊：https://www.mdpi.com/2703626

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/chemosensors

第二届国际人工智能传感器与换能器会议 (AIS2025)

由 MDPI Sensors、Micromachines、Chemosensors、Robotics 期刊联合主办， 新加坡国立大学支持的 “第二届国际人工智能传感器与换能器会议 (The 2nd International Conference on AI Sensors and Transducers)” 将于2025年7月29日至8月3日在马来西亚吉隆坡隆重召开。

本次大会旨在汇聚全球专家学者，探讨传感器、传感技术、人工智能传感器及其增强系统等领域的最新进展，促进学术交流与合作。大会主席由东京大学Toshihiro Itoh教授、延世大学Sang-Woo Kim教授和新加坡国立大学Chengkuo Lee教授共同担任。会议设立28个专题分会，涵盖物理传感器、MEMS、化学传感器、可穿戴传感器、人工智能等领域，旨在为与会者提供广泛的交流平台。会议还将颁发多项学术奖项，鼓励与会者的杰出贡献。

我们诚挚邀请全球相关领域的专家学者踊跃投稿并参会，共同探讨人工智能与传感器技术的未来发展。 (注：目前，马来西亚对来自中国等国的游客实施入境30天内免签证措施。)

访问会议官网：https://sciforum.net/event/AIS2025

Chemosensors 期刊介绍

主编：Nicole Jaffrezic-Renault, CNRS/University of Franche-Comté, France; Jin-Ming Lin, Tsinghua University, China

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。

2024 Impact Factor：3.7

2024 CiteScore：7.3

Time to First Decision：20.5 Days

Acceptance to Publication：2.8 Days