综述：用于氢检测的新兴二维材料：机理、挑战与机遇

《Coordination Chemistry Reviews》：Emerging 2D materials for hydrogen detection: mechanism, challenges, & opportunities

这篇综述系统梳理了二维材料在氢传感领域的最新进展，重点阐述了其传感机制（如化学电阻式、场效应晶体管FET、电化学及质量敏感型 transduction）、关键材料（如石墨烯、过渡金属二硫化物TMDCs、MXene、MOF等）及其与催化金属（Pd、Pt等）的协同作用。文章指出，二维材料凭借其超高比表面积、可调谐能带隙和室温工作潜力，有望克服传统金属氧化物传感器的高温运行和交叉灵敏度等局限，为开发高性能、低功耗氢传感器提供了新机遇，同时也分析了实际应用面临的稳定性、选择性及规模化制备等挑战。

　　

氢能安全与二维材料传感新机遇

氢能作为一种清洁能源载体，在全球能源转型中扮演着日益重要的角色。然而，氢气具有无色无味、易燃易爆的特性，在空气中浓度超过4%时即存在爆炸风险。因此，开发能够快速、精准、可靠地检测氢气泄漏的传感器技术，尤其是能够在室温下工作的传感器，对于氢能的安全利用至关重要。传统氢传感器多基于金属氧化物或贵金属纳米颗粒，但往往存在工作温度高、功耗大、易受其他气体干扰等问题。近年来，二维材料的兴起为氢传感技术带来了革命性的新思路。

二维材料的独特优势为何？

二维材料是指那些在单个或几个原子层厚度上具有平面结构的晶体材料。其最大的优势在于超高的比表面积，这为氢气分子提供了大量的吸附位点。此外，许多二维材料具有可调的能带隙，例如二硫化钼的带隙随层数变化，这为其电学特性的调控奠定了基础。相较于传统材料，二维材料能够在室温下实现高效的气体检测，显著降低了能耗，为便携式和可穿戴传感设备的发展铺平了道路。

核心传感机制面面观

二维材料氢传感器的核心在于将氢气与材料表面的相互作用转化为可测量的电信号。主要的传感机制包括以下几种：

1. 1.
   化学电阻式传感：这是最常见且易于集成的机制。二维材料作为连接两个电极的敏感层，当氢气吸附时，会发生电荷转移，改变材料的载流子浓度，从而导致电阻变化。例如，在n型材料如MoS₂中，氢气作为电子给体，会增加其电导率。
2. 2.
   场效应晶体管传感：在FET传感器中，二维材料（如MoS₂、WS₂）作为沟道材料。氢气在沟道表面或功能化栅极/介电层界面的吸附或催化解离，会改变沟道的表面电势和载流子密度，进而引起阈值电压或漏极电流的显著变化，其灵敏度通常远高于简单的两端化学电阻器。
3. 3.
   电化学传感：这种机制利用氢气在电极/电解质界面发生的氧化还原反应。当二维材料电极功能化上Pd或Pt等催化剂时，能催化氢气的氧化，产生与氢气浓度成正比的法拉第电流。这种方法特别适用于液态环境下的实时精确检测。
4. 4.
   质量敏感型传感：这类传感器通过检测氢气吸附引起的质量变化来工作，主要包括微悬臂梁、表面声波和石英晶体微天平传感器。例如，Pd涂层微悬臂梁在吸附氢气后会发生弯曲或共振频率变化，通过光学或电学方法检测这种形变即可感知氢气浓度。

关键材料家族各显神通

1. 1.
   石墨烯及其衍生物：石墨烯具有极高的电子迁移率，但其零带隙限制了开关比。氧化石墨烯和还原氧化石墨烯通过引入含氧官能团和缺陷，增强了其对氢气的吸附能力。
2. 2.
   过渡金属二硫化物：如MoS₂、WS₂等，具有合适的半导体带隙和高开关比，是构建高性能FET传感器的理想材料。
3. 3.
   MXene：这是一类金属碳化物或氮化物二维材料，具有良好的金属导电性和亲水性，为电化学传感提供了优异的平台。
4. 4.
   金属有机框架：MOF具有极高的比表面积和可调的孔道结构，能高效吸附和传输气体分子。
5. 5.
   催化金属的协同作用：钯因其独特的形成氢化钯的能力，对氢气具有极高的亲和性和选择性，常被用作二维材料的修饰剂以促进氢气的解离和溢出效应。铂、镍、金等金属也常以合金或纳米颗粒形式与二维材料复合，以优化催化活性和稳定性。

挑战与未来展望

尽管二维材料氢传感器展现出巨大潜力，但其从实验室走向实际应用仍面临诸多挑战。选择性是关键问题之一，如何在高湿度环境或多种气体共存条件下准确识别氢气仍需深入研究。长期稳定性也是一个严峻考验，二维材料在空气中的氧化倾向以及传感材料在循环使用中的性能衰减制约了其使用寿命。此外，大规模、低成本、均匀可控地制备高性能二维材料仍然是实现产业化的瓶颈。

未来的研究方向可能包括：通过异质结构建、元素掺杂、缺陷工程等手段精准调控材料的界面和电子结构；开发新型二维材料以拓展材料库；将传感器与微机电系统/纳机电系统集成，实现器件的小型化和智能化；探索光、热等外场辅助的传感机制以提升性能。

总之，二维材料为氢传感技术开辟了一条充满希望的新路径。通过跨学科的持续努力，有望克服当前障碍，研发出满足未来氢经济安全需求的高性能传感器。