多孔一维CuWO4-WO3纳米纤维增强气体渗透性与催化敏化作用实现高选择性H2S传感

为解决半导体金属氧化物(SMO)气体传感器对H2S的选择性识别难题，研究人员通过电纺丝结合牺牲模板法合成多孔CuWO4-WO3纳米纤维，实现200°C下对5 ppm H2S的高响应(Rair/Rgas=60.8)和优异选择性。该研究通过调控形貌与三元氧化物催化相协同作用，为疾病诊断和环境监测提供了新型传感材料。

　　

在环境监测和疾病诊断领域，氢硫化氢(H₂S)作为一种剧毒气体，即使ppm级浓度也会引发神经系统损伤，而呼气中H₂S浓度变化更与哮喘、口臭等疾病密切相关。然而传统半导体金属氧化物(SMO)传感器面临选择性差、工作温度高(>300°C)等瓶颈，特别是对复杂气体环境中H₂S的交叉敏感问题长期未得到解决。

针对这一挑战，韩国国立忠南大学(Chungnam National University)材料科学与工程系Sang-Joon Kim团队创新性地将三元氧化物催化与多孔结构设计相结合，在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表研究成果。研究人员采用电纺丝技术同步引入聚苯乙烯(PS)牺牲模板和铜前驱体，通过高温煅烧获得具有介/大孔结构的一维CuWO₄-WO₃纳米纤维。该材料在200°C下对5 ppm H₂S展现出60.8的响应值，且湿度稳定性优异，其性能提升源于开放孔道增强的气体渗透性和CuWO₄相的催化敏化协同作用。

关键技术方法包括：1) 电纺丝结合PS模板法制备多孔纳米纤维；2) Cu/W前驱体共混实现三元氧化物均匀分布；3) 原位光谱分析揭示H₂S催化分解机制。

【材料合成】
通过优化电纺丝参数和PS模板比例，获得直径可控的Cu/W前驱体/PVP复合纤维，经500°C煅烧后形成具有连续孔道的CuWO₄-WO₃异质结构，比表面积达89.6 m²/g。

【性能表征】
传感器在200°C工作温度下展现快速响应/恢复特性(23 s/41 s)，对H₂S的选择性系数较其他干扰气体(C₇H₈、CO等)高10倍以上，且在30-70%湿度范围内保持稳定性。

【机理研究】
原位红外光谱证实CuWO₄相能催化分解H₂S生成羟基副产物，避免了传统CuO修饰材料中不可逆CuS积累的问题，实现了传感过程的完全可逆。

该研究突破性地证明：1) 多孔结构使气体扩散效率提升3倍；2) CuWO₄相通过形成Cu²⁺-S^2-配位键实现特异性识别；3) 三元氧化物催化剂相比贵金属修饰成本降低80%。这项工作为开发新一代高选择性气体传感器提供了普适性策略，特别在医疗呼气分析领域具有重要应用前景。