韩国标准与科学研究院（KRISS）采用先进材料开发了一款新型有毒气体传感器，可以超灵敏检测大气中的二氧化氮（NO₂）。
韩国标准与科学研究院开发的用于超灵敏气体传感器的材料。（左）合成靶材（Si/SiO₂），（中）3D MoS₂纳米分支结构先进材料，（右）超灵敏气体传感器
据麦姆斯咨询报道，近期，韩国标准与科学研究院（KRISS）开发出一款具有全球最高灵敏度的有毒气体传感器。该新型气体传感器具有低功耗、超高灵敏度等特点，可以在室温下精确检测大气中的有毒气体——二氧化氮（NO₂），能够应用于多种领域，例如半导体制造过程中残留气体的检测和电解催化剂的研究。
NO₂是化石燃料经高温燃烧后产生的，主要通过汽车尾气或工厂烟雾排放，导致空气污染进而致使人类死亡率上升。在韩国，总统令规定空气中NO₂的年平均浓度为30 ppb或更低。因此，需要具有高灵敏度的新型气体传感器来准确检测极低浓度的气体。
近年来，由于包括半导体制造在内的高科技产业的发展，对人类有潜在致命危害的有毒气体的使用及释放呈上升趋势。虽然一些实验室和工厂为了安全起见采用了半导体型气体传感器，但挑战在于它们的响应灵敏度低，无法检测到甚至于人类鼻子都可察觉的有毒气体。而且，因为其必须在高温下工作，为了提高灵敏度，还会消耗大量能量。
该新型气体传感器是基于先进材料的下一代半导体型有毒气体传感器，与传统气体传感器相比，它的性能和可用性显著提高。由于其对化学反应的突出灵敏度，该新型气体传感器可以比以前报道的半导体型气体传感器更灵敏地检测NO₂，灵敏度高出60倍。此外，该新型气体传感器在室温下工作时功耗极小，其最佳半导体制造工艺能够在低温下进行大面积制备，从而降低制造成本。
该技术的关键在于韩国标准与科学研究院开发的MoS₂纳米分支结构材料。与传统MoS₂的2D平面结构不同，该材料以类似树枝的3D结构合成，从而提高了灵敏度。除了大面积均匀合成材料的强度，它还可以通过调整原材料中的碳比例来创建3D结构，而无需额外的工艺。
韩国标准与科学研究院半导体集成计量团队通过实验证明，该新型气体传感器可以检测大气中浓度低至5 ppb的NO₂，并且计算检测限为1.58 ppt，标志着全球最高的灵敏度水平。
这一成就使得以低功耗精确检测大气中的NO₂成为可能。该新型气体传感器不仅节省了时间和成本，而且提供了出色的分辨率。预计它将通过检测NO₂的年平均浓度及其实时变化，为改善大气条件的研究做出贡献。
该技术的另一个特点是它能够在原材料合成阶段调节碳含量，从而改变电化学性能。这可用于开发能够检测其它类型气体的传感器，例如半导体制造过程中产生的残留气体。该材料优异的化学反应也可提高用于氢气生产的电解催化剂的性能。
韩国标准与科学研究院半导体集成计量团队高级研究员Jihun Mun博士说：“这项新技术克服了传统气体传感器的局限性，不仅符合政府规定，而且有助于对本国大气状况进行精确监测。我们将继续进行后续研究，使这项技术能够应用于各种有毒气体传感器和催化剂的开发，而不是停留在对大气中NO₂的监测。”
该研究项目得到了韩国标准与科学研究院基础项目和科学与信息通信部纳米材料技术发展项目（Nanomaterial Technology Development Project of Ministry of Science and ICT）的支持，相关研究成果发表在材料科学领域著名学术期刊Small Structures上。
延伸阅读：
《环境气体传感器技术及市场-2023版》
《盛思锐气体传感器SGP40产品分析》
《盛思锐气体传感器SGP30产品分析》
