近日，健康學(xué)院朱志剛教授團隊在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上發(fā)表了題為“光子激活與光熱協(xié)同效應(yīng)增強MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)對硫化氫（H2S）的檢測性能”（“Synergistic Effects of Photoactivation and Photothermal in MXene Heterostructures for the Enhanced H2S Detection Capability”）的研究成果，健康學(xué)院韓雨彤副教授和碩士生殷紫陽為文章共同第一作者，朱志剛教授和韓雨彤副教授為共同通訊作者，上海理工大學(xué)為唯一通訊單位。該研究利用光子激活與光熱協(xié)同策略，實現(xiàn)了室溫氣體傳感器傳感性能的綜合提升，揭示了氣敏性能提升的內(nèi)在機理，并且成功應(yīng)用于食品腐敗監(jiān)測和呼出氣檢測領(lǐng)域，為半導(dǎo)體基氣體傳感器的性能提升策略與應(yīng)用提供了新的思路。
人類健康監(jiān)測（如呼出氣檢測）、有害氣體安全防控（含溫室/爆炸性氣體）及食品新鮮度檢測等領(lǐng)域需求的快速增長，使得高性能室溫氣體傳感器研發(fā)成為全球焦點。盡管化學(xué)電阻式氣體傳感器經(jīng)多年研究已具備對多種氣體的高靈敏度檢測能力，但其商業(yè)化應(yīng)用仍受限于選擇性不足與響應(yīng)/恢復(fù)動力學(xué)緩慢兩大關(guān)鍵瓶頸，并且化學(xué)電阻材料對特定目標氣體的響應(yīng)機制仍存在顯著的理論缺失。
為此，團隊創(chuàng)新提出光子激活與光熱協(xié)同策略。通過構(gòu)建MXene/PbS異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在近紅外光（NIR）輔助下高效吸收光能，促進光生載流子分離，增強活性氧自由基（如·O2-和·OH）生成，顯著提升硫化氫氧化效率。同時，光熱效應(yīng)使材料表面局部升溫，加速氣體分子運動，降低硫化氫活化能，提升吸附/解吸速率，該協(xié)同機制使傳感器可在室溫高效工作。利用原位紅外光譜技術(shù)揭示了性能提升的內(nèi)在機理，團隊進一步構(gòu)建了集成深度學(xué)習算法（1D-CNN/LSTM）的智能監(jiān)測系統(tǒng)。在食品腐敗監(jiān)測方面，通過監(jiān)測雞蛋腐敗釋放的硫化氫，系統(tǒng)準確預(yù)測變質(zhì)情況。在口腔健康診斷方面，通過分析呼出氣中的硫化氫濃度，系統(tǒng)可實時識別口腔異味狀態(tài)，為口臭、腸胃疾病提供無創(chuàng)篩查工具。
該研究突破了室溫氣體傳感的理論與技術(shù)瓶頸。首創(chuàng)“光子激活-光熱協(xié)同”機制，利用近紅外光同時觸發(fā)MXene/PbS異質(zhì)界面高效光催化反應(yīng)和原位光熱效應(yīng)，實現(xiàn)了硫化氫分子活化能降低與反應(yīng)動力學(xué)加速，結(jié)合原位光譜和DFT模擬在微觀層面驗證了機制。所構(gòu)建的智能系統(tǒng)在口腔診斷和食品腐敗預(yù)警中驗證了實用性，其協(xié)同機制為其他氣體檢測及低功耗物聯(lián)網(wǎng)傳感提供了通用框架。
傳感機理示意圖
智能監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用與算法框架示意圖
文章鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202509735
