可见光辅助的室温氢传感器：Pd/CeO2/ZnO纳米复合材料的高效设计与应用

为解决氢能源应用中H2易燃易爆的安全隐患，研究人员通过水热法结合浸渍法合成Pd/CeO2/ZnO纳米复合材料，开发了一种室温下可见光驱动的氢传感器。该传感器对5000 ppm H2响应值高达1057.598，响应时间仅1秒，检测限低至0.5 ppm，兼具优异选择性和稳定性。研究通过构建Pd-CeO2/ZnO肖特基势垒（Schottky barrier）并利用Pd的局域表面等离子体共振（LSPR）效应，为室温氢检测提供了低成本高效解决方案。

　　

氢能作为绿色能源的代表，因其高能量密度和零碳排放特性成为能源转型的核心。然而，H₂无色无味且爆炸极限宽（4%-75%），在储运和使用中极易引发安全事故。传统金属氧化物半导体（MOS）传感器需高温工作，而紫外光辅助技术存在材料老化与健康风险。如何实现室温高效检测成为氢安全领域的重大挑战。

河南理工大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，通过水热-浸渍法制备Pd/CeO₂/ZnO三元纳米复合材料，开发出可见光驱动的室温氢传感器。该传感器利用CeO₂/ZnO异质结的电荷转移效应与Pd的催化协同作用，在25°C下对5000 ppm H₂产生1057.598的超高响应值，突破传统MOS传感器室温性能瓶颈。

研究采用X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）表征材料结构，通过气敏测试系统评估性能。关键发现包括：1.5 wt% Pd负载量下材料结晶度提升；Pd纳米颗粒的LSPR效应增强可见光吸收；PdH_x形成导致晶格膨胀，提升选择性。

材料表征
XRD显示CeO₂（JCPDS 34-0394）与ZnO（JCPDS 99-0111）的典型衍射峰，Pd峰未检出表明其高度分散。TEM证实CeO₂纳米花均匀负载于ZnO纳米棒表面，Pd纳米颗粒（~5 nm）锚定在异质结界面上。

气敏性能
最优样品（Pd/CZ-2）在可见光下对H₂的响应值较纯ZnO提升两个数量级，且对CH₄、CO等干扰气体选择性比>15。0.5 ppm极低浓度检测限满足工业安全标准，1秒响应速度优于多数报道的室温传感器。

机理分析
研究提出三重增强机制：1）CeO₂/ZnO异质结界面形成能带弯曲，促进光生电子-空穴分离；2）Pd的LSPR效应产生热电子注入半导体导带；3）Pd催化解离H₂为活性H原子，通过"溢出效应"改变材料电导。

该研究通过巧妙的材料设计，将贵金属用量降低至1.5 wt%，大幅降低成本。可见光驱动策略避免了紫外辐射危害，为氢能源基础设施的安全监测提供了可靠工具。论文提出的"异质结-等离子体-催化"协同机制，为新一代智能气体传感器开发提供了理论指导。