大气中的NO₂对人体健康和环境具有严重的不利影响，因此备受关注，并激发了人们对NO₂检测和环境修复的研究。现有的低成本室温NO₂传感器通常存在ppb级别的低灵敏度或恢复时间长的问题，这反映了传感器响应和恢复时间之间的权衡。

近日，美国韦恩州立大学Long Luo，Stephanie L. Brock，清华大学张亮报道了提出了一种原子分散的金属离子策略来解决上述问题。

文章要点

1）研究人员采用CdSe量子点（QD）合成、电凝胶化和部分阳离子交换三步法合成了双金属Pb_xCd_1−xSe量子点凝胶（x=0.003，0.0 3，0.0 2，0.0 4，0.0 9，0.17，0.40）。所有Pb_xCd_1−xSe QD凝胶都显示出与CdSe QD前驱体相似的表面形态、微晶尺寸、表面积和孔隙率。HAADF-STEM，EDX能谱，PXRD和XPS结果表明，Pb在Pb_xCd_1−xSe QD凝胶中存在两种不同的形式。当Pb含量较低（x<0.17）时，Pb位以原子方式分散在凝胶中。当x进一步增加（x≥=0.17时），立方PbSe的相分离开始发生，从而原子分散的PbSe和立方PbSe在凝胶中共存，直到Cd完全取代PbSe（x=1）。用主动ML策略计算的热力学凸包表明，双金属Pb_xCd_1-xSe六方相在Pb含量低于20%时具有热力学稳定性，与实验结果一致。

2）NO₂气敏测试结果表明，Pb_xCd_1−xSe QD凝胶的气敏性能与组成有关。当x=0.09时，获得了传感器响应强和快速恢复的最佳组合，其中Pb仅以原子分散的金属离子形式存在。与文献中基于p型半导体的最先进的室温NO₂气体传感器相比，Pb_0.09Cd_0.91Se QD凝胶传感器具有超低LOD（3 ppb）、高响应（0.06%/ppb）、短t_res（~28 s）和t_rec（~60 s）的高性能。此外，Pb_0.09Cd_0.91Se凝胶传感器在传感器响应t_res和t_rec方面也表现出极好的稳定性，在75 h的稳定性测试中，其变化幅度仅为10%。对NO₂和8种不同的常见气体也有很高的选择性。此外，利用Pb_0.09Cd_0.91Se凝胶制作了一种无线便携式NO₂传感器，并与商用的NO₂传感器进行了实时比较。结果表明，所开发的NO₂传感器对检测ppb水平的NO₂具有很高的可靠性。值得注意的是，与商用产品相比，该器件即使在10-100 ppb的范围内也能很好地工作，满足EPA（53 ppb）和EEA（40 ppb）的LOD要求，这表明开发的NO₂传感器具有巨大的商业市场潜力。

3）密度泛函理论（DFT）计算结果表明，双金属Pb_0.09Cd_0.91Se QD凝胶表面的Cd位而不是Pb位是导致NO₂传感性能优异的吸附位，因为相对于Pb位，Cd位提供了更大的电荷转移，但具有相当的吸附能量，解决了响应和恢复时间之间的权衡。此外，原子分散的Pb离子位与PbSe基体中的Pb位有很大的不同，它们将电子密度转移到相邻的Cd离子上，从而更好地给NO₂提供电子，并增强了对NO₂的响应。

参考文献

Geng, X., Li, S., Mawella-Vithanage, L. et al. Atomically dispersed Pb ionic sites in PbCdSe quantum dot gels enhance room-temperature NO2 sensing. Nat Commun 12, 4895 (2021).

DOI：10.1038/s41467-021-25192-4

https://doi.org/10.1038/s41467-021-25192-4