乙醇在各種大氣中普遍存在，是影響氣體傳感器在室內(nèi)空氣監(jiān)測、呼吸分析和食品新鮮度監(jiān)測等廣泛實(shí)際應(yīng)用中性能的主要干擾因素。事實(shí)上，大多數(shù)現(xiàn)代氣體傳感器（例如金屬氧化物、石墨烯、碳納米管和硫化物）對乙醇敏感，因?yàn)橐掖荚跉饷舴磻?yīng)中具有高反應(yīng)性。此外，乙醇的濃度通常高于目標(biāo)氣體的濃度。因此，迫切需要一種能夠完全消除乙醇干擾的傳感策略。人們做出了相當(dāng)大的努力來減輕乙醇?xì)怏w的干擾，通過摻雜/負(fù)載貴金屬或氧化物催化劑、調(diào)節(jié)工作溫度、形成異質(zhì)復(fù)合材料以及在使用氣敏薄膜之前使用催化過濾器（載Pt的Al2O3、WO3填充床、Co3O4、SnO2、TiO2、Rh/TiO2和Au催化覆蓋層）。然而，對于新的應(yīng)用和高性能氣體傳感器來說，與乙醇無關(guān)的傳感器信號和通過催化氧化產(chǎn)生的可檢測分析物氣體的數(shù)量仍然有限且不足。此外，催化氧化不僅會降低對乙醇的響應(yīng)，還會同時(shí)降低對目標(biāo)氣體的響應(yīng)，從而降低分析物對乙醇的選擇性和靈敏度。因此，有必要從新的視角探索催化控制策略，而不僅僅是簡單地利用氧化物或貴金屬催化劑催化氧化干擾乙醇。

對于高反應(yīng)性的氧化傳感反應(yīng)，在檢測含有少量C和H物種的小氣體分子時(shí)，選擇性問題變得尤為重要。例如，由于人類大部分時(shí)間都待在室內(nèi)，選擇性檢測亞ppm級的甲醛（HCHO）對于監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量至關(guān)重要。HCHO是一種潛在的致癌物。已知HCHO來自木質(zhì)家具、油漆和室內(nèi)裝飾材料（例如粘合劑）。此外，由于其健康風(fēng)險(xiǎn)，世界衛(wèi)生組織（WHO）制定了室內(nèi)甲醛暴露（80 ppb）的指南。因此，精確實(shí)時(shí)地檢測HCHO對人類至關(guān)重要。然而，氧化物化學(xué)電阻通常對無處不在的乙醇表現(xiàn)出非歧視性響應(yīng)，這可能導(dǎo)致 HCHO 傳感器故障。為了克服這一限制，已經(jīng)考慮使用分子篩從分子尺寸較小的分析物氣體中物理過濾具有較大動力學(xué)直徑的乙醇分子。然而，大多數(shù)利用分子篩層的氣體傳感器對分析物氣體表現(xiàn)出較低的響應(yīng)和遲緩的傳感動力學(xué)，這是由于分析物氣體從傳感層上部到傳感電極附近下部的擴(kuò)散受到阻礙。因此，使用氧化物化學(xué)電阻在乙醇存在下高選擇性、靈敏度和快速性地檢測分析物氣體仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作提出了一種簡便易行且通用的策略，即在不影響固有傳感性能的情況下，涂覆一層酸性質(zhì)子型ZSM-5 (HZSM-5) 覆蓋層，以消除乙醇抑制。

2. 沉積在氧化物傳感器上的HZSM-5覆蓋層表現(xiàn)出優(yōu)異的檢測性能，即使在痕量濃度下，甲醛 (HCHO) 也會對人體健康造成有害影響，它能夠有效消除乙醇干擾，而不會改變 HCHO 的響應(yīng)或響應(yīng)時(shí)間。

3. 雙層傳感器的優(yōu)異性能系統(tǒng)地解釋了酸性 HZSM-5 覆蓋層將乙醇脫水為反應(yīng)性較低的乙烯。

4. 采用NH3程序升溫解吸(NH3-TPD)、質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)四極桿質(zhì)譜(PTR-QMS)以及原位漫反射紅外傅里葉變換光譜(DRIFTS)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了上述方案。

5. 采用傳感器陣列進(jìn)行模式識別，能夠屏蔽甲醛、苯、甲苯和對二甲苯等乙醇干擾物，從而促進(jìn)電子鼻技術(shù)監(jiān)測室內(nèi)空氣污染物。

圖文解析

圖1. 本研究的概念。

通過在氧化物化學(xué)電阻上涂覆酸性HZSM-5層來減輕乙醇干擾，從而實(shí)現(xiàn)高選擇性、高靈敏度和快速響應(yīng)的甲醛檢測。

圖2. HZSM-5/In2O3雙層傳感器的結(jié)構(gòu)和HZSM-5的材料表征。

a 雙層HZSM-5/In2O3氣體傳感器示意圖。b 雙層傳感器的橫截面背散射圖像和EPMA元素（In、Si和Al）圖像。c-e In2O3空心球(c)、23HZSM-5(d)、318HZSM-5(e)的SEM圖像。f-h HZSM-5催化劑的XRD(f)、N2氣體吸附和解吸等溫線(g)、NH3-TPD(h)分析結(jié)果。

圖3. 純In2O3和HZSM-5/In2O3傳感器的氣敏特性。

a–c 純In2O3(a)、23HZSM-5/In2O3(b)和318HZSM-5/In2O3(c)傳感器對1 ppm HCHO、乙醇、苯、甲苯、對二甲苯、CO、H2、CH3CHO和C2H4的氣敏特性（誤差線表示三個(gè)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)差）。d 23HZSM-5/In2O3傳感器的氣體響應(yīng)隨HCHO濃度（0.1-0.5 ppm）的變化。e–f 23HZSM-5/In2O3傳感器在225°C下對1 ppm HCHO的重復(fù)感應(yīng)瞬態(tài)(e)和長期穩(wěn)定性(f)。

圖4. 純SnO2、ZnO、23HZSM-5/SnO2、23HZSM-5/ZnO傳感器的氣敏特性。

a–d 純SnO2(a)、23HZSM-5/SnO2(b) 和純ZnO (c)、23HZSM-5/ZnO (d) 傳感器對1 ppm 甲醛、乙醇、苯、甲苯、對二甲苯、一氧化碳和氫氣的氣敏特性（誤差線表示三個(gè)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)差）。

圖5. 純In2O3、SnO2、ZnO、23HZSM-5/In2O3、23HZSM-5/SnO2、23HZSM-5/ZnO雙層傳感器對甲醛和乙醇混合物的氣敏性能。

a–c 未采用 23HZSM-5 覆蓋層的 In2O3(a)、SnO2(b)、ZnO (c) 傳感器對 1 ppm 甲醛和 0-5 ppm 乙醇（乙醇濃度分別為 0、1、2.5、5 ppm）混合氣體的響應(yīng)。d–f 帶有 23HZSM-5 覆蓋層的 In2O3(d)、SnO2(e)、ZnO (f) 傳感器對 1 ppm 甲醛和 0-5 ppm 乙醇（乙醇濃度分別為 0、1、2.5、5 ppm）混合氣體的響應(yīng)。

圖6. HZSM-5 催化劑的催化性能。

a–b 1 ppm 乙醇的轉(zhuǎn)化率 (a) 和乙醇在 225-425 °C 下轉(zhuǎn)化后的乙醛濃度 (b)。c 本研究中展示的氣體傳感機(jī)理示意圖。

圖7. 使用帶有 HZSM-5 涂層氧化物化學(xué)電阻的傳感器陣列進(jìn)行室內(nèi)空氣監(jiān)測。

a–c 不帶和帶 23HZSM-5 覆蓋層空心球傳感器（a；(a1) In2O3和 (a2) 23HZSM-5/In2O3）、多室球傳感器（b；(b1) 10Ti-NiO 和 (b2) 23HZSM-5/10Ti-NiO）和多孔球傳感器（c；(c1) 5Pd-SnO2和 (c2) 23HZSM-5/5Pd-SnO2）對 1 ppm 甲醛 (F)、乙醇 (E)、苯 (B)、甲苯 (T)、對二甲苯 (X) 的氣體響應(yīng)。d–e 不帶 (d) 和帶 (e) 23HZSM-5 覆蓋層的 3 個(gè)傳感器的 PCA 分析結(jié)果。

來源：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-60500-2?utm_medium=external_display&utm_source=stork&utm_content=email&utm_term=null&utm_campaign=CONR_JRNLS_AWA1_CN_CNPL_0034V_STKRE&sessionid=1580146670#Abs1