NO2是导致酸雨、光化学烟雾以及全球致死率上升的主要因素之一，对环境质量和人类健康的危害不容忽视。即使在超低浓度(ppb级)情况下，它也能够损害人体健康，并且通常伴随着NO存在。因此，检测NO2时，检测下限和选择性是重要的评价指标。此外，室温工作而无需任何额外能源供应的传感器可以显著降低功耗、具有更高安全性，在NO2监测网络构建中具有重要应用价值。
近日，我课题组在NO2室温、选择性检测方面取得新进展。我们开发了一种基于K2Fe4O7固体电解质和Ni-MOF(N2烧结)敏感电极的室温混成电位型NO2传感器，它具有优异选择性和超低检测下限，主要结论如下：
(1)Ni-MOF敏感电极材料在氮气中烧结后，部分氧从MOF骨架中析出，并产生了氧空位和不饱和配位Ni离子缺陷。同时Ni-MOF的二维纳米片形貌和主要骨架官能团在烧结后没有发生变化，说明烧结后Ni-MOF骨架没有塌陷、生成部分热解的衍生物。
(2)Ni-MOF(N2烧结)产生的氧空位对水分子具有吸附作用，因此，水分子在Ni-MOF(N2烧结)传感器中的参与程度高于Ni-MOF传感器。而水分子对NO和NO2影响不同，它抑制了三项界面处NO电化学反应而促进了NO2电化学反应，具体体现为电催化活性的变化和动力学的差异：在25°C和60%RH下，(a)Ni-MOF传感器对NO的电催化活性高于对NO2的电催化活性，由于水分子影响，Ni-MOF(N2烧结)传感器对NO的电催化活性低于对NO2的电催化活性，并且Ni-MOF(N2烧结)传感器对NO2的电催化活性远高于Ni-MOF传感器；(b)不同浓度NO和NO2的DRT计算结果表明，NO2在Ni-MOF(N2烧结)传感器中传输阻抗和电化学反应阻抗均小于NO。因此，Ni-MOF(N2烧结)传感器的NO2选择性系数(响应值：NO2/NO)是Ni-MOF传感器的32倍，并且具有室温条件下的超灵敏传感性能(检测下限：5 ppb；灵敏度：-157.8 mV/ppm)。
(3)基于Ni-MOF(N2烧结)敏感电极的传感器在25°C和60%RH环境中可实现超低浓度NO2的检测，无需其他能源供应，检测下限低至5 ppb。在NO2低浓度范围(5 ppb~50 ppb)，ΔV与NO2浓度成线性关系，灵敏度为-157.8 mV/ppm。在NO2高浓度范围(50 ppb~10 ppm)，ΔV与NO2浓度成线性对数关系，灵敏度为-21.5 mV/decade。同时，传感器具有良好的低浓度稳定性、抗干扰性以及优异的选择性，展现了在实际环境中检测低浓度NO2的应用潜力。
(4)基于Ni-MOF(N2烧结)传感器、电压信号采集电路、云服务器和用户终端构建了具有远程监控、不同环境评估和信息共享功能的NO2物联网系统。
图1. 物联网（IoT）系统原理图
相关研究结果以“Room temperature mixed-potential solid-electrolyte NO2 sensor for environmental monitoring”为题发表在《Sensors and Actuators B: Chemical》期刊上。该论文的第一作者为博士研究生张月莹，通讯作者为刘方猛教授和孙鹏教授。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400523006585
