KRISS 开发低功耗 LED 基“电子鼻”气体传感器
摆脱为检测有害气体而必须维持高温的传统方式，仅依靠光就能区分气体种类的下一代传感器技术，已由韩国国内研究团队开发成功。该技术在降低电力消耗的同时拓宽了应用范围，有望同时提升工业现场和日常空间的气体安全性。
韩国标准科学研究院(KRISS)11日表示，研究团队开发出一种利用廉价且安全的可见光发光二极管(LED)光源，能够精确识别多种有害气体的气体传感器技术。与在高温环境下运行的传统气体传感器不同，这一技术在室温下即可工作，因此耗电更少，并在传感器寿命和通用性方面具备优势。
KRISS开发的基于LED的多种气体识别传感器示意图。采用以金属氧化物和硫化物（In₂O₃·In₂S₃）为基础的Type-I异质结结构，大幅提升了对蓝光LED的吸收效率和表面反应性。在此基础上，组合钯、铂、金等贵金属催化剂，实现了可选择性区分二氧化氮、氨气、氢气和乙醇的传感器阵列。KRISS提供
View original image目前工业现场广泛使用的气体传感器，为了提高与气体分子的反应性，必须维持在200~400℃的高温。在这一过程中，微型加热器需要持续运转，导致电力消耗巨大，而且在反复暴露于高温的情况下，传感器材料会迅速劣化，这是其局限所在。
以光代替加热器的方式虽然早已有所提出，但基于紫外线的传感器存在人体暴露风险，而基于可见光LED的传感器反应性较低，可检测的气体种类有限，这也是一大问题。
为解决上述局限，研究团队设计了在氧化铟(In₂O₃)上薄薄涂覆硫化铟(In₂S₃)的“Type-I异质结”纳米结构。该结构在受光照时，能够将产生的电荷集中到发生反应的表面，起到“能量阱”的作用，从而在无额外热源的情况下，仅依靠蓝光LED光就能诱导与气体分子的即时反应。
在此基础上，研究团队将铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)等不同贵金属催化剂分别应用于传感器，并以阵列方式组合，构建出能够同时区分多种气体的“电子鼻(E-nose)”功能。结果显示，即便在氢气、氨气、乙醇等有害气体混合存在的环境中，也能实现清晰的区分与识别。
KRISS开发的Type-I异质结结构示意图。蓝光LED照射时，Type-I异质结像能量阱一样汇聚电荷到表面，即使不使用高温加热器，也在室温下大幅提升了传感器表面反应性。KRISS提供
View original image在性能测试中，该传感器的检测下限达到201ppt（万亿分之一浓度），相较于既有的可见光LED传感器，灵敏度提升约56倍。在湿度80%的条件下仍能稳定运行，并在超过300天的长期评估中保持初始性能，验证了其耐久性。
这一技术能够通过一个传感器识别多种气体，从而降低工厂、发电站等工业现场的传感器部署成本。由于耗电量低、维护费用负担小，也有望扩展应用于住宅设施或公共场所的实时空气质量管理系统。凭借室温运行特性，其在智能手机或可穿戴设备中搭载，发展为贴近日常生活的安全技术的可能性也很大。
本次研究的负责人、韩国标准科学研究院先进材料计量组首席研究员 Kwon Kichang 表示：“今后将通过优化催化剂组合，把这一技术发展为能够针对各类工业现场所需有害气体进行选择性检测的智能传感器。”
该研究成果在科学技术信息通信部纳米与材料技术开发项目的支持下完成，并于去年12月发表在纳米与传感器领域国际学术期刊《Small》上。
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