IF 51.4 ！化学电阻式气体传感器的选择性：策略和挑战

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随着人类健康监测（代谢紊乱与非传染性疾病）、有害温室/爆炸性气体安全防控及食品新鲜度检测需求的激增，高性能化学气体传感器的研发已成为全球关注焦点。历经多年深入研究，化学电阻式气体传感器已实现对多种气体的灵敏检测，但其商业化进程仍受制于选择性不足与响应/恢复动力学缓慢两大瓶颈。尤其值得关注的是，特定化学电阻材料对目标气体的选择性响应机制仍存在显著的理论空白。本综述系统探讨了实现气体选择性识别的先进策略，重点聚焦于材料设计（晶体结构调控、纳米结构工程）、表面功能化（贵金属催化、有机配体修饰）、缺陷工程（氧空位构建、掺杂优化）、异质结构建（p-n结、肖特基势垒）及物理/化学气体过滤介质集成等核心技术。通过深入解析材料表面-气体相互作用的本质机理，本研究为材料设计的优化迭代、传感性能的精准调控及目标气体特异性检测的材料筛选提供了理论依据，并针对未来研究方向与选择性提升路径提出了前瞻性建议。

创新点

1. 多维协同策略创新：突破传统单一改性模式，提出材料本征特性调控（缺陷工程/结构优化）与外源功能强化（催化修饰/过滤介质）的协同作用机制，构建"材料-界面-系统"三级优化体系

2. 机理研究深度突破：建立基于电子转移路径解析的选择性响应理论模型，阐明表面吸附-电荷传输-能带重构的多级联反应动力学过程

3. 技术融合创新路径：开创性地将物理过滤介质（分子筛/膜分离）与化学传感单元集成，实现预处理-检测联动的选择性增强范式

对科研工作的启发

1. 多尺度设计范式：启示研究者需同步考量材料微观结构（晶面取向、缺陷浓度）与宏观器件构型（多孔结构、异质界面）的协同优化

2. 动态过程解析方法：建议采用原位表征技术（operando XRD/XPS）结合理论计算（DFT模拟），实时追踪气体吸附-脱附过程中的电子态演变

3. 跨学科技术融合：推荐探索微流控芯片集成、MEMS工艺兼容等先进制造技术，推动实验室成果向工业化生产的转化

思路延伸

1.智能材料系统：开发具有自修复功能（仿生聚合物涂层）或自适应响应（相变材料）的新型传感材料

2.仿生传感架构：借鉴生物嗅觉系统（嗅觉受体空间排布模式），构建多通道阵列传感器与人工神经网络结合的模式识别系统

3.先进制造技术：探索喷墨打印、3D打印等数字化制造工艺，实现复杂微纳结构的可控制备

4.环境自适应设计：研制温湿度补偿模块（嵌入式微型加热器/疏水涂层），提升恶劣环境下的检测可靠性

生物医学领域的应用

1. 疾病标志物检测系统：仿效气体选择性增强策略，可构建针对挥发性有机化合物（VOCs）的纳米传感器阵列，通过设计特异性分子印迹聚合物层，实现对肺癌标志物（如乙醛、苯系物）的高选择性检测，为无创呼吸诊断提供技术支撑。

2. 可穿戴健康监测器件：借鉴表面功能化修饰技术，开发柔性表皮电子传感器，通过整合离子选择性膜与微流控芯片，实现汗液中葡萄糖、乳酸等代谢产物的原位检测，为糖尿病管理等慢性疾病监控提供新范式。

3. 细胞微环境分析平台：运用缺陷工程调控原理，构建具有亚细胞尺度分辨率的电化学传感器，通过调控纳米结构表面电荷分布特性，实现肿瘤细胞外泌体与正常细胞分泌囊泡的精准区分，为癌症早期诊断提供新方法。

Selectivity in Chemiresistive Gas Sensors: Strategies and Challenges

Chemical Reviews ( IF 51.4 )

Pub Date : 2025-04-08

DOI: 10.1021/acs.chemrev.4c00592

Peresi Majura Bulemo , Dong-Ha Kim , Hamin Shin , Hee-Jin Cho  , Won-Tae Koo, Seon-Jin Choi , Chungseong Park  , Jaewan Ahn  , Andreas T Güntner  , Reginald M Penner  , Il-Doo Kim

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