氣體傳感作為一種重要的信息技術(shù)之一最近受到人們廣泛關(guān)注。與使用精密儀器或在復(fù)雜操作條件下使用的方法相比，化學(xué)電阻性氣體傳感器因其低成本、便攜性和不同可用的傳感材料而更為優(yōu)越。金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)具有良好的穩(wěn)定性和環(huán)保性能，長(zhǎng)期以來(lái)一直被用作傳感材料。為了提高M(jìn)OS材料在熱場(chǎng)作用下的靈敏度，人們采用了控制晶粒尺寸和提高工作溫度等幾種策略。將吸附在MOS上的氧在高操作溫度(100-450 °C)下電離，建立活性物種。

實(shí)際上，大多數(shù)MOS材料在室溫下幾乎無(wú)反應(yīng)，由于熱成熟、燒結(jié)或目標(biāo)氣體分子中毒，其仍然存在一些敏感性降解的問(wèn)題。 作為一種替代方法，MOS的內(nèi)部光載流子可以被光激發(fā)，原則上可以在室溫下用于產(chǎn)生氣體傳感的活性氧。一些MOS材料在光照下對(duì)特定的氣體有響應(yīng)，但人們很少在原子水平上解釋光驅(qū)動(dòng)傳感過(guò)程的機(jī)理，導(dǎo)致對(duì)光生載流子與目標(biāo)氣體分子相互作用過(guò)程的了解不足。因此，需要開發(fā)具有高靈敏度的高效光活化傳感材料并進(jìn)行深入研究，對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)MOS以提高氣敏性能具有參考意義，也為基礎(chǔ)研究和技術(shù)應(yīng)用提供機(jī)會(huì)。

近日，福州大學(xué)王心晨、陽(yáng)燦和中國(guó)科學(xué)院福建物構(gòu)所徐剛等報(bào)道了一種光化學(xué)(BiVO4)傳感材料，該材料具有很大比例的(110)和(011)面和附加的(111)面，可用于可見光驅(qū)動(dòng)的選擇性檢測(cè)超低濃度H2S。 與十面體BiVO4(Deca-BiVO4)相比，通過(guò)晶面工程，Octa-BiVO4具有更大的比例的光氧化表面，提高了各向異性光誘導(dǎo)載流子分離，使Octa-BiVO4的傳感性能優(yōu)于Deca-BiVO4。同時(shí)，(111)面的暴露實(shí)現(xiàn)了Octa-BiVO4在V位點(diǎn)上對(duì)H2S的特征吸附，導(dǎo)致對(duì)H2S具有較高的選擇性，降低了目標(biāo)氣體的檢測(cè)限。

同時(shí)，Octa-BiVO4在光照條件下的傳感性能優(yōu)于加熱條件下，顯示了照明的優(yōu)勢(shì)和獨(dú)特的作用。同時(shí)，Octa-BiVO4還顯示出優(yōu)越的耐久性，因?yàn)镠2S被氧化為元素硫(S)和二氧化硫(SO2)，避免了硫中毒。 此外，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和密度泛函理論(DFT)計(jì)算，研究人員提出了可能的機(jī)理：1.光照使光生空穴(h+)和電子(e?)分別遷移到光氧化和光還原表面，與V原子結(jié)合的-OH基團(tuán)與h+結(jié)合，轉(zhuǎn)化為?OH，導(dǎo)致電流增加；2.H2S首先吸附在(111)面的V原子上，隨后被?OH氧化成S和SO2，導(dǎo)致電子從H2S轉(zhuǎn)移到Octa-BiVO4，進(jìn)一步提高電流；3.H2S檢測(cè)后，空氣中的O2分子吸附到V原子上，捕獲e?以恢復(fù)電流值，然后與水中的質(zhì)子結(jié)合轉(zhuǎn)化為-OH，實(shí)現(xiàn)氣敏循環(huán)。

Crystal engineering of BiVO4 for photochemical sensing of H2S gas at ultra-low concentration. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202314891