摘要：

近十年來，單原子催化劑以其優(yōu)異的原子利用率和獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)在催化領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。對(duì)于基于半導(dǎo)體的電氣體傳感器來說，其核心是目標(biāo)氣體分子在敏感材料上的催化過程。在這種情況下，SACs為高靈敏度和選擇性氣體傳感提供了巨大的潛力，然而，只有一些氣泡會(huì)浮出水面。為了促進(jìn)實(shí)際應(yīng)用，我們對(duì)活性炭的制備策略進(jìn)行了全面的綜述，重點(diǎn)介紹了如何克服聚合和低負(fù)載的挑戰(zhàn)。廣泛的研究工作致力于研究氣敏機(jī)理，探索敏感材料，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，改進(jìn)信號(hào)后處理技術(shù)。最后，提出了基于sac的氣體傳感面臨的挑戰(zhàn)和未來的展望。

半導(dǎo)體氣體傳感器的結(jié)構(gòu)與原理

image.png

Fig 2 展示了半導(dǎo)體基氣體傳感器的結(jié)構(gòu)和感測原理。具體內(nèi)容包括：

1. 結(jié)構(gòu)示意圖：包括化學(xué)電阻型（chemiresistors）、薄膜晶體管（thin film transistor, TFT）傳感器、催化金屬柵場效應(yīng)晶體管（FET）傳感器和懸浮柵FET的結(jié)構(gòu)。
2. 感測原理：詳細(xì)解釋了化學(xué)電阻型傳感器在目標(biāo)氣體作用下電阻變化的原理，包括氧氣在敏感材料上的吸附、提取電子形成負(fù)氧物種，以及還原性氣體與吸附氧物種的反應(yīng)過程。
3. 導(dǎo)電機(jī)制和變化：描述了在O2和CO暴露下敏感材料的不同的導(dǎo)電機(jī)制和變化，包括表面/體積模型、晶界和平面帶模型。
4. 其他敏感材料：除了金屬氧化物，還探討了其他潛在的敏感材料，如碳基材料、聚合物和二維材料。
5. TFT傳感器：討論了TFT傳感器中源-漏電流（ID）的變化機(jī)制，包括敏感材料導(dǎo)電性的調(diào)節(jié)和氣體分子吸附對(duì)材料功函數(shù)的影響。
6. 催化金屬柵FET傳感器：解釋了這種傳感器中ID如何受到目標(biāo)氣體與敏感材料相互作用的影響，以及如何通過外部電場調(diào)制ID。
7. 懸浮柵FET：展示了懸浮柵FET的結(jié)構(gòu)，其中懸浮柵和介電層之間存在空氣間隙，目標(biāo)氣體通過間隙與柵上的敏感材料反應(yīng)，改變柵的工作函數(shù)和器件的通道電流。
8. 閾值電壓計(jì)算：提供了計(jì)算傳統(tǒng)金屬氧化物半導(dǎo)體FET和懸浮柵FET閾值電壓（VT）的公式，以及氣體暴露下VT變化對(duì)ID-VG曲線的影響。

單原子催化劑的制備

image.png

Fig 3 展示了通過浸漬法（impregnation method）制備單原子催化劑（SACs）的過程和結(jié)果。具體內(nèi)容包括：

1. 浸漬法制備SACs的示意圖：描述了將載體材料浸入含有金屬離子的溶液中，通過吸附和擴(kuò)散使金屬離子在載體表面原子級(jí)分散，隨后經(jīng)過洗滌、干燥和退火過程，最終在載體上沉積金屬離子。
2. Rh-Ru原子在MFI沸石上的錨定：展示了通過浸漬法在自支撐MFI沸石（硅質(zhì)子-1和ZSM-5）表面錨定銠-釕（Rh-Ru）原子的過程，這些沸石具有大的比表面積和豐富的Si-OH基團(tuán)，增強(qiáng)了親水性和傳輸效率。
3. Pt單原子在N摻雜碳納米籠上的分布：通過高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）圖像展示了Pt單原子在分層N摻雜碳納米籠（Pt(SA)/hNCNC）和分層碳納米籠（Pt(SA)/hCNC）上的分布情況，以及Pt原子的輕微聚集現(xiàn)象。
4. Co單原子在N摻雜石墨烯上的分布：通過TEM和HAADF-STEM圖像展示了單原子鈷（Co）在N摻雜石墨烯納米片（Co(SA)N4/NG）上的均勻分布，沒有Co納米顆粒（NPs）的存在。
5. Pt單原子在CoFe2O4和CF上的穩(wěn)定性：通過HAADF-STEM圖像展示了水處理前后Pt單原子在CoFe2O4和CF上的分布情況，證實(shí)了Pt物種僅以單原子形式存在，且水處理不影響Pt原子的分散性。

sac如何提高傳感性能

image.png

Fig 9 描述了單原子催化劑（SACs）與氣體分子之間的相互作用，以及這些相互作用如何增強(qiáng)氣體傳感器的性能。具體內(nèi)容包括：

1. 氧氣的化學(xué)吸附增加：單原子作為活性位點(diǎn)，增強(qiáng)了從空氣中吸附氧氣的能力，并促進(jìn)氧氣分子解離成氧離子。這些在活性位點(diǎn)生成的氧物種會(huì)擴(kuò)散到材料的其他區(qū)域（稱為溢流效應(yīng)），導(dǎo)致支持材料表面活性氧的數(shù)量大幅增加。
2. 電子轉(zhuǎn)移量的增加：金屬原子在原子水平上的分散暴露了眾多活性位點(diǎn)，每個(gè)位點(diǎn)都表現(xiàn)出極高的活性。這些活性位點(diǎn)的存在，加上單原子修飾，有效地促進(jìn)了敏感材料與氣體分子之間的電荷轉(zhuǎn)移。
3. 氣體吸附能量的提高：與未修飾的敏感材料相比，修飾了單原子的敏感材料對(duì)目標(biāo)氣體的吸附能量有顯著提高，導(dǎo)致通道電流的變化更大，因此靈敏度更高。
4. 催化動(dòng)力學(xué)的加速：單原子分散體在反應(yīng)中表現(xiàn)出比其納米顆粒對(duì)應(yīng)物更高的內(nèi)在電催化能力和更快的催化動(dòng)力學(xué)。這可以歸因于單原子配置的獨(dú)特電子結(jié)構(gòu)和未飽和的配位環(huán)境。
   這些圖像和描述提供了SACs如何通過促進(jìn)氣體分子的吸附、活化和電子轉(zhuǎn)移來提高氣體傳感器性能的詳細(xì)視圖，展示了SACs在氣體檢測中的潛在優(yōu)勢(shì)。

sac在氣體傳感中的應(yīng)用

image.png

Fig 11 展示了單原子催化劑（SACs）在氨氣（NH3）檢測中的應(yīng)用和性能。具體內(nèi)容包括：

1. Co(SA)/N-C的AC HAADF-STEM圖像：展示了在氮摻雜碳基質(zhì)上原子級(jí)分散的鈷單原子（Co(SA)/N-C），紅色圓圈標(biāo)記了單個(gè)Co原子的位置。
2. Co(SA)/N-C基氣體傳感器對(duì)NH3的響應(yīng)曲線：展示了使用Co(SA)/N-C作為敏感材料的氣體傳感器對(duì)20 ppm至1000 ppm范圍內(nèi)NH3的響應(yīng)。
3. Co(SA)/N-C基氣體傳感器對(duì)不同氣體的響應(yīng)對(duì)比：展示了Co(SA)/N-C基氣體傳感器對(duì)包括NH3、NO2、NO、C2H5OH、CO2、CH4和H2在內(nèi)的不同氣體在200 ppm濃度下的響應(yīng)對(duì)比，顯示出對(duì)NH3的響應(yīng)明顯高于其他氣體。
4. Co摻雜MoO3薄膜基氣體傳感器對(duì)NH3的響應(yīng)：對(duì)比了Co摻雜MoO3薄膜基氣體傳感器對(duì)NH3的響應(yīng)，與Co(SA)/N-C基氣體傳感器的響應(yīng)進(jìn)行比較，顯示了SACs在氣體檢測中的優(yōu)勢(shì)。
   這些圖像和數(shù)據(jù)提供了Co(SA)/N-C作為敏感材料在NH3檢測中的高性能的直觀證據(jù)，包括其高靈敏度、低檢測限和良好的選擇性。通過這些結(jié)果，可以了解到SACs在提高氣體傳感器性能方面的潛力。

總結(jié)

綜上所述，本文主要綜述了利用半導(dǎo)體電傳感器制備各種氣體傳感用sac的研究進(jìn)展。首先，對(duì)半導(dǎo)體型電氣體傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了分類和討論。隨后，對(duì)sac的制備策略進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。具體來說，比較了每種策略的單原子負(fù)載和分布。
總結(jié)了活性炭與目標(biāo)氣體分子的相互作用，以及活性炭與載體的相互作用。這可能歸因于基于sacs的氣體傳感器的靈敏度和選擇性的提高。最后，簡要介紹了sac在幾種氣體環(huán)境中的典型應(yīng)用。