金负载In2 O3 二维纳米片的光激活气体传感器：低温高效检测挥发性有机污染物的突破

　　针对传统半导体金属氧化物(SMO)气体传感器需高温运行(250-400°C)导致的能耗高、寿命短等问题，研究人员开发了Au负载In2 O3 二维纳米片传感器，结合445 nm可见光激活，实现了室温至150°C下对甲醛、苯系物等气体的高灵敏度检测，响应值提升达102倍，为低功耗环境监测提供新方案。

　　

【研究背景】
在现代工业社会，挥发性有机化合物(VOCs)如甲醛、苯系物等已成为威胁人类健康的隐形杀手。传统气体检测技术面临两难困境：电化学传感器易受环境干扰，红外传感器体积庞大，而最常用的半导体金属氧化物(SMO)传感器虽灵敏度高，却需要250-400°C的高温工作环境。这不仅造成巨大能耗，更可能引发爆炸风险，严重制约其在物联网(IoT)环境监测中的普及。

韩国国立研究基金会(NRF)支持的研究团队独辟蹊径，将目光投向二维纳米材料与可见光激活的协同效应。In₂
O₃
二维纳米片因其超大比表面积和热稳定性成为理想载体，而金纳米颗粒(Au NPs)的局域表面等离子体共振(LSPR)效应能在可见光下产生"热电子"，有望突破传统传感的温度限制。这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究，开创性地实现了室温下对非极性气体的高灵敏度检测。

【关键技术】
研究采用水热法合成In₂
O₃
二维纳米片，通过HAuCl₄
还原在其表面负载Au NPs，经SEM/TEM/AFM表征确认材料形貌。采用叉指电极(IDE)芯片构建传感器，在定制气室中测试甲醛等6种气体响应，结合445 nm LED光照系统，对比分析黑暗/光照条件下的传感性能。XPS和UV-vis光谱揭示材料能带结构变化，原位DRIFTS阐明气体吸附机制。

【研究结果】

1. 材料表征：
   AFM显示纳米片厚度仅3.5 nm，XRD证实立方相In₂
   O₃
   结构。HRTEM观察到Au NPs(5-10 nm)均匀分布在纳米片表面，XPS显示Au⁰
   占比达72.5%，UV-vis显示LSPR峰位于530 nm。

2. 光激活传感性能：
   甲醛在室温黑暗条件下无响应，但在445 nm光照下产生1.58的响应值(R_a
   /R_g
   )。乙醇检测在150°C时响应提升102倍，Au负载使活化能从0.82 eV降至0.35 eV。非极性气体(甲苯/苯)在100°C实现检测，突破传统SMO传感器需200°C以上的限制。

3. 机理分析：
   DRIFTS证实光照下甲醛分解为甲酸盐中间体。Au NPs的LSPR效应促进氧空位形成，光照产生的电子-空穴对加速气体吸附/解吸循环，响应恢复时间缩短60%。

【结论与意义】
该研究通过Au-In₂
O₃
二维异质结设计与可见光激活的协同策略，实现三大突破：(1)将典型SMO传感器工作温度降低150-200°C；(2)首次实现室温下对甲醛的光驱动检测；(3)攻克非极性气体低温检测难题。相比紫外光激活方案，445 nm蓝光LED更具安全性和经济性，为智能家居、工业安全等领域的低功耗气体监测开辟新途径。研究团队特别指出，该技术可无缝集成到现有MEMS(微机电系统)平台，对推动物联网环境监测技术革新具有里程碑意义。