一、研究背景

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和互聯(lián)自動化技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器技術(shù)因其在確保精確監(jiān)測和適應(yīng)性信號傳輸方面的重要作用而備受矚目。氣體傳感器是一類廣泛用于檢測和測量氣體濃度的設(shè)備，在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)安全、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用（圖 1）。這些傳感器通過感應(yīng)氣體中特定成分的變化產(chǎn)生電信號或其他輸出信號，從而提供有關(guān)氣體濃度、類型和相關(guān)細(xì)節(jié)的信息。下文將詳細(xì)介紹氣體傳感器的基本工作原理以及從氣體中產(chǎn)生分析信號的原理。制備具有良好選擇性、高靈敏度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)/恢復(fù)時間的氣體傳感材料對于實際應(yīng)用至關(guān)重要。雖然氣體傳感器的開發(fā)主要集中在提高靈敏度上，因為靈敏度對檢測限有直接影響，但平衡靈敏度與選擇性也至關(guān)重要，尤其是在混合氣體環(huán)境中。傳感器的選擇性在實際應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，不容忽視。在各種傳感器技術(shù)中，SMO 氣體傳感器因其卓越的靈敏度、快速響應(yīng)、低成本和出色的長期穩(wěn)定性而脫穎而出，成為檢測有毒氣體和外來氣體不可或缺的傳感器。

圖1.基于電紡絲技術(shù)的 SMO 氣體傳感器的廣泛應(yīng)用和制造：(a) 分層結(jié)構(gòu)。(b) Perovskite 結(jié)構(gòu)。(c) 核殼結(jié)構(gòu)。(d，e）電紡絲。

過去幾十年來，人們一直致力于通過設(shè)計敏感材料來提高氣體敏感性，包括多孔結(jié)構(gòu)、金屬摻雜和異質(zhì)結(jié)。鑒于 SMOs 的氣體敏感機理與氧氣密切相關(guān)，因此深入了解表面吸附和催化氧化過程至關(guān)重要。這種理解有助于揭示反應(yīng)機理，從而促進新型氣敏材料和摻雜策略的發(fā)展。SMO 的氣敏機理基于氧吸附模型，該模型假定電阻的變化與氧的化學(xué)吸附有關(guān)。暴露在空氣中時，氧分子會吸附到 SMO 表面，通過捕獲導(dǎo)帶電子形成化學(xué)吸附氧（O2-、O- 和 O2-）。這些氧物種的類型隨工作溫度和材料類型的不同而變化，對氣體傳感性能起著至關(guān)重要的作用。氣體傳感器的基本工作原理如圖 2 所示。對于 n 型和 p 型 SMO 氣體傳感器，其工作原理取決于多數(shù)載流子的類型：n 型半導(dǎo)體中的電子和 p 型半導(dǎo)體中的空穴。n 型 SMO 氣體傳感器的傳感機制說明如下。在空氣中，氧氣吸附在傳感器表面，捕獲電子并形成負(fù)離子，由于電子耗盡層較厚，電阻會增加。暴露在乙醇或氫氣等還原性氣體中會釋放捕獲的電子，使耗損層變薄，從而降低電阻，從而逆轉(zhuǎn)這種效應(yīng)。相反，二氧化氮等氧化性氣體會進一步消耗電子，從而增強電阻。

圖2.基于 n 型 SMO 和 p 型 SMO 的氣體感應(yīng)機制和傳導(dǎo)模型的圖解說明。版權(quán) 2023 年，MDPI。

在此，我們回顧了近年來基于電紡 SMO 的氣體傳感器的研究進展。我們將這一領(lǐng)域作為當(dāng)前的研究重點，探討了提高傳感器靈敏度的有效策略。這些策略包括制備高比表面積和小晶粒尺寸的納米材料，應(yīng)用貴金屬改性（如鉑、鈀、銀、金和銠等），以及引入替代陽離子摻雜劑（如 Li+、Ca2+、Al3+、Co3+ 等）。綜述還延伸到復(fù)合材料，對這些策略進行了全面的比較和分析。最后，我們討論了面臨的挑戰(zhàn)和未來展望，旨在引導(dǎo)復(fù)雜多孔 SMO 材料的發(fā)展，從而為下一代高效氣體傳感器鋪平道路。最后，我們提出了挑戰(zhàn)和前景，以指導(dǎo)先進多孔 SMO 材料的合理設(shè)計。

二、摘要

電紡絲技術(shù)為半導(dǎo)體金屬氧化物（SMO）氣體傳感器領(lǐng)域帶來了革命性的變化，而半導(dǎo)體金屬氧化物在氣體檢測中起著舉足輕重的作用。半導(dǎo)體金屬氧化物以其高靈敏度、快速響應(yīng)和對各種氣體的特殊選擇性而著稱。通過電紡絲技術(shù)合成的 SMO 具有無與倫比的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括高孔隙率、大比表面積、可調(diào)形態(tài)和成分以及多樣化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而提高了氣體傳感性能。本綜述探討了電紡絲制備的各種結(jié)構(gòu)和組成的 SMO 在氣體傳感器中的應(yīng)用。它重點介紹了增強氣體傳感性能的策略，如貴金屬改性和摻雜過渡金屬、稀土元素和金屬陽離子，所有這些都有助于提高靈敏度和選擇性。我們還探討了用聚合物或碳納米纖維制造復(fù)合 SMO，以應(yīng)對高溫操作的挑戰(zhàn)。此外，本綜述還討論了分層結(jié)構(gòu)和核殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。此外，還探討了尖晶石和過氧化物晶體結(jié)構(gòu)的獨特化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)有助于實現(xiàn)對特定氣體的高靈敏度和選擇性。這些方法強調(diào)了創(chuàng)新材料集成和結(jié)構(gòu)設(shè)計在實現(xiàn)高性能氣體傳感器中的關(guān)鍵作用，并指出了這一領(lǐng)域未來的研究方向。

三、結(jié)論

在當(dāng)前的環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)安全領(lǐng)域，通過靜電紡絲設(shè)備制造的基于 SMO 的氣體傳感器因其卓越的靈敏度、選擇性和操作穩(wěn)定性而處于領(lǐng)先地位。電紡絲技術(shù)的應(yīng)用開創(chuàng)了氣體傳感器設(shè)計的新紀(jì)元。這項技術(shù)使 SMO 具有高孔隙率、大表面積和可調(diào)節(jié)的形態(tài)，這些品質(zhì)對于實現(xiàn)卓越的氣體傳感性能至關(guān)重要。本綜述系統(tǒng)地探討了基于 SMO 的氣體傳感器的演變和現(xiàn)狀，重點介紹了在材料合成和功能化方面取得的重大進展。我們詳細(xì)介紹了利用電紡絲方法設(shè)計各種有利于氣體擴散的納米結(jié)構(gòu)和具有超高比表面積的 SMO。這些對于制備高性能氣體傳感器至關(guān)重要。此外，在 SMO 中引入添加劑是調(diào)整氣體傳感器靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性的最常用方法。因此，我們對貴金屬裝飾以及過渡金屬、堿金屬和稀土元素?fù)诫s等幾種策略進行了深入探討。我們還合理地解釋了相關(guān)的化學(xué)和電子敏化機制以及不同結(jié)構(gòu)的作用。最后，我們深入研究了復(fù)合材料的成分和結(jié)構(gòu)對氣體傳感器性能的影響。在材料組成方面，我們主要關(guān)注金屬氧化物與其他金屬氧化物以及聚合物和碳納米材料的復(fù)合材料。在結(jié)構(gòu)上，我們特別討論了核殼結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)、尖晶石結(jié)構(gòu)和包晶石結(jié)構(gòu)。此外，我們還回顧了它們在提高氣體傳感器的靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性方面的獨特優(yōu)勢?；谶@些策略，相信未來會有許多用于各種目標(biāo)氣體的高性能多孔 SMO 氣敏材料系統(tǒng)問世。利用電紡絲方法制備氣體傳感器已經(jīng)取得了重大進展，過去幾年中，人們廣泛研究了電紡絲 SMO 納米材料，以改善氣體傳感性能。然而，要實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，仍需解決許多技術(shù)難題。特別是在設(shè)計氣體傳感器時，必須考慮傳感器的穩(wěn)定性和環(huán)境因素（如濕度）的影響。此外，降低能耗和工作溫度對于這些傳感器在實際應(yīng)用中的廣泛采用仍然至關(guān)重要。

圖3.通過電紡絲生產(chǎn)納米纖維的示意圖

圖4.通過電紡絲設(shè)計的各種形式的納米材料：(a) 納米纖維。 (b) 納米線。 (c) 核殼納米纖維。(d) 納米片。(e) 空心納米管。(f) 量子點。