无铅双钙钛矿Cs2AgBiBr6微片的设计与性能：一种稳定、高灵敏且环保的室温臭氧传感器

这篇研究报道了一种无铅双钙钛矿Cs2AgBiBr6微片材料，通过室温沉淀法合成，实现了对臭氧（O3）的高选择性检测（最低168 ppb），工作电压低至0.1 V。该传感器在湿度（30-70% RH）和高温（200°C）下表现稳定，并通过DFT计算揭示了Br空位（VBr）作为关键活性位点的作用机制，为环保型气体传感材料提供了新思路。

　　

材料设计与合成

研究团队通过室温沉淀法成功制备了三种形貌的Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿：微片（22.8±6.2 μm）、球形微花（0.90±0.29 μm）和刻面微花（2.14±1.29 μm）。其中微片形貌在无配体条件下合成，展现出立方晶系结构（空间群Fm₃m），并伴有少量AgBr和Cs₃Bi₂Br₉杂质相。紫外可见光谱显示微片的带隙为2.05 eV，显著低于球形微花（2.30 eV），这为其低电压（0.1 V）驱动提供了理论基础。

臭氧传感性能

微片传感器对O₃表现出p型响应特性，在168-2300 ppb浓度范围内呈现双线性响应趋势：低浓度区（<750 ppb）灵敏度更高（斜率较大），而高浓度区因表面饱和效应增速减缓。响应时间短至30秒（高浓度）至50秒（低浓度），恢复时间不足2分钟，性能优于多数需紫外激发的金属氧化物传感器。值得注意的是，该传感器在70%湿度下响应提升超10倍，归因于水分子吸附形成的质子传导网络（H₃O⁺迁移机制）。

环境稳定性验证

经历六周测试后，传感器仍保持初始性能的90%以上。200°C高温下虽电流降低（0.25→0.05 μA），但XRD证实晶体结构可逆。湿度实验后出现的BiOBr杂相（32.3°衍射峰）提示部分Br空位水解，但未影响主体功能。XPS分析表明，O₃和H₂暴露后Cs/Ag/Bi/Br的化学态均未改变，说明传感机制主要依赖电子转移而非表面化学反应。

选择性机制解析

交叉敏感性测试显示对NO（2 ppm检出限）和H₂（20 ppm）有中等响应，而对CO₂/CH₄几乎无反应。DFT计算揭示：Br空位（V_Br）是O₃吸附的关键位点，结合能达-3.23 eV（比完美表面强4倍），且O₃分子以双齿构型嵌入空位。NO在空位处的吸附能（-1.26 eV）较完美表面提升百倍，而H₂仅通过解离吸附（ΔE=-0.8 eV）产生微弱信号。态密度分析表明，O₃吸附会"修复"空位导致的带隙态，而NO则引入N/O原子衍生的中隙态。

应用前景

这种无铅钙钛矿传感器突破了传统Pb基材料的环境毒性限制，其室温工作、低功耗（0.1 V）特性特别适合物联网（IoT）空气质量监测设备。未来可通过形貌调控（如增加孔隙率）和缺陷工程（调控V_Br密度）进一步优化性能，为工业安全与公共卫生监测提供新方案。