酸性HZSM-5沸石覆盖层缓解氧化物化学电阻酒精抑制：实现高选择性甲醛检测的双层传感器设计

针对氧化物化学电阻器普遍存在的乙醇干扰问题，韩国研究人员创新性地提出采用酸性HZSM-5沸石覆盖层的双层传感器策略。通过调控乙醇脱水路径将其转化为低活性乙烯，该研究实现了对ppb级甲醛(HCHO)的高选择性、高灵敏度检测，同时保持原始传感性能。这项工作为室内空气污染物监测提供了突破性解决方案，相关成果发表于《Nature Communications》。

　　

在室内空气监测、呼吸分析和食品新鲜度评估等领域，气体传感器面临着普遍存在的乙醇干扰难题。由于乙醇的高反应性，包括金属氧化物、石墨烯和碳纳米管在内的现代传感器都会对其产生响应，且环境中乙醇浓度常高于目标气体。尤其对于甲醛(HCHO)这种WHO规定室内限值仅80ppb的致癌物，传统传感器难以区分其与乙醇的信号。现有解决方案如分子筛过滤或贵金属催化氧化，往往导致目标气体响应下降或动力学迟缓。这一困境呼唤新的传感策略——既能消除乙醇干扰，又不损害传感器的核心性能。

韩国首尔大学的研究团队在《Nature Communications》发表突破性研究，提出通过酸性HZSM-5沸石覆盖层调控乙醇转化路径的创新方案。研究人员采用超声喷雾热解法制备In₂O₃空心球传感材料，通过丝网印刷构建HZSM-5/In₂O₃双层结构，结合NH₃-TPD（程序升温脱附）、PTR-QMS（质子转移反应质谱）和原位DRIFTS（漫反射红外傅里叶变换光谱）等技术系统验证了作用机制。

Fabrication and characterization of oxide gas sensors
研究首先通过精确控制SiO₂/Al₂O₃比例（23 vs 318）制备两种酸性差异的HZSM-5催化剂。表征显示23HZSM-5具有更高的酸位密度（1.57 vs 0.17 mmol/g），其Br?nsted酸位能有效催化乙醇脱水为乙烯。EPMA元素映射证实双层结构中5μm厚的In₂O₃传感层与8μm厚的沸石层界限分明。

Exclusive detection of HCHO
在225℃操作温度下，原始In₂O₃传感器对1ppm甲醛和乙醇的响应值相近（S=19.67），而23HZSM-5/In₂O₃传感器将乙醇响应降至0.72，同时保持甲醛响应（S=25.6），选择性比（S_F/S_E）高达35.5。关键的是，传感动力学未受影响——响应/恢复时间维持在14秒内，检测限达1.1ppb。对比实验证明318HZSM-5因酸性不足无法实现类似效果。

General validity
该策略在SnO₂和ZnO体系同样有效：23HZSM-5覆盖使SnO₂对甲醛的选择性比从0.78-1.08提升至1.63-11.31；ZnO传感器则从0.44-1.64改善到1.75-20.3。混合气体测试显示，传统传感器在1-5ppm乙醇干扰下甲醛响应波动达44.6%，而双层传感器波动仅11.3%。

Catalytic characteristics
PTR-QMS分析揭示23HZSM-5在225℃能将90%乙醇转化为乙烯，而318HZSM-5主要生成高活性乙醛。原位DRIFTS检测到950cm^-1处的乙烯摇摆振动信号，证实脱水反应路径。这种选择性转化机制使传感器既能消除乙醇干扰，又避免甲醛被过度氧化。

Indoor air quality monitoring
由23HZSM-5修饰的In₂O₃、Ti-NiO和Pd-SnO₂组成的传感器阵列，通过主成分分析成功区分甲醛、苯、甲苯和二甲苯，即使在20ppm乙醇背景下仍保持清晰聚类。

这项研究开创了通过催化路径调控而非简单过滤来解决气体交叉敏感性的新范式。酸性HZSM-5覆盖层作为通用平台，可扩展至其他目标气体检测体系。其突破性在于：首次实现乙醇干扰消除与传感性能保留的兼得，为电子鼻在复杂环境中的应用奠定基础。未来通过调节沸石酸性和孔结构，该策略有望进一步拓展至甲烷、甲醇等气体的选择性检测领域。