基于La2CuO4阻抗式气体传感器的NOx检测：高灵敏度与双气体一致性响应的突破

研究人员针对NOx（NO/NO2）检测中信号抵消和灵敏度差异的难题，开发了以La2CuO4为敏感电极、Ce0.8Gd0.2O2-δ（CGO）为电解质的阻抗式传感器。该传感器在450℃下对NO和NO2表现出同向响应（0.036°/ppm和0.039°/ppm），兼具抗湿性和氧稳定性，为工业废气监测提供了简化设计的新方案。

　　

研究背景
氮氧化物（NO_x，含NO和NO₂）是化石燃料燃烧的副产物，不仅加剧全球变暖，更直接危害人体呼吸系统和心血管健康。现有混合电位型传感器面临核心难题：NO和NO₂的响应信号方向相反，导致总浓度检测失真。虽然双腔室设计能通过气体转化规避此问题，但复杂的氧清除需求限制了实用性。如何开发一种能对NO/NO₂产生同向响应且灵敏度匹配的传感器，成为环境监测领域的"卡脖子"问题。

华北理工大学的研究团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表的研究中，创新性地将层状钙钛矿材料La₂CuO₄应用于阻抗式传感器，利用其独特的吸附-电催化协同效应，实现了对NO_x的高精度直接检测。

关键技术方法
研究采用溶胶-凝胶法制备La₂CuO₄敏感材料，通过XRD验证晶体结构；构建双层CGO电解质（致密层+多孔层）提升气体扩散效率；采用相位角（Θ）作为响应信号优化检测灵敏度；在400-550℃范围内系统测试传感器性能，重点分析不同浸渍量（10-70μl）对响应的影响。

研究结果

Preparing the sensor
通过冷等静压（50MPa）和高温烧结（1300℃）制备的CGO电解质基板，其致密度确保离子传导稳定性。多孔层通过丝网印刷实现，为气体扩散提供通道。La₂CuO₄浸渍量实验表明，50μl组在450℃下性能最优。

Characterization
XRD证实La₂CuO₄纯度达99%以上，晶粒尺寸计算显示高结晶度。SEM显示多孔层孔径约2μm，形成理想的三重相边界（TPB）结构。

Conclusion
传感器在450℃、0.1Hz条件下，对200-700ppm NO/NO₂的灵敏度比接近1:1（0.036 vs 0.039°/ppm），且响应方向一致。湿度实验显示，10%水蒸气环境下信号波动<5%，优于传统ZrO₂基传感器。

讨论与意义
该研究突破性地利用La₂CuO₄的双气体吸附特性（NO优先吸附于Cu位点，NO₂与La-O层作用），通过阻抗变化而非电位差实现检测，避免了信号抵消问题。相比Pt-WO₃/TiO₂等材料，其制备成本降低60%，且无需辅助催化层。这种"单腔室+同向响应"设计为车载尾气监测提供了更可靠的解决方案，尤其适用于O₂浓度波动的工业场景。未来可通过掺杂进一步优化低温性能，推动NO_x传感器在智慧城市中的大规模部署。