G-四链体离子层状液晶在质子型离子液体中的形成机制与传感应用研究

为解决半导体气体传感器普遍存在的灵敏度不足和工作温度过高问题，研究人员通过设计金/银修饰In2O3纳米立方体，系统研究了光电效应与局域表面等离子体共振(LSPR)效应电子差异对气敏性能的影响，创新性发现选择性敏感材料导带边缘能级的关键作用，开发出室温自然光驱动的高选择性甲醛传感器，为低功耗气体传感器设计提供新策略。

　　

在环境监测和工业安全领域，半导体气体传感器长期面临两大技术瓶颈：一是需要高温工作带来的能耗问题，二是复杂气体环境中选择性差的缺陷。传统加热激活方式不仅增加功耗，还会因高温下物质反应活性普遍增强而导致选择性下降。虽然光激发技术能替代加热提供电子能量，但半导体材料对太阳光谱中紫外波段（仅占5%）的有限利用，以及局域表面等离子体共振(LSPR)效应改善气敏性能的机制不明，制约着室温高性能传感器的发展。

天津大学（根据基金项目推断）的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表的研究中，创新性地采用贵金属纳米粒子修饰In₂O₃纳米立方体，通过对比分析光电效应与LSPR效应电子特性的差异，揭示了室温光驱动气体传感的新机制。研究通过水热法和共沉淀法构建Ag/Au-In₂O₃异质结构，结合紫外-可见光谱、X射线衍射(XRD)和密度泛函理论(DFT)计算等表征手段，系统研究了不同波长光照下的气敏行为差异。

主要技术方法
研究采用水热法制备纯In₂O₃纳米立方体，通过共沉淀法引入Ag/Au纳米颗粒构建异质结。利用XRD分析晶体结构，紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)测定光吸收特性，结合电化学阻抗谱(EIS)研究载流子传输行为。气敏测试系统比较了样品在365nm紫外光、520nm可见光及自然光下的响应特性，通过DFT计算验证能带结构对选择性的影响机制。

表征结果
XRD显示所有样品均呈现立方相In₂O₃特征峰（21.3°(211)、30.2°(222)），低含量Ag/Au修饰未出现明显金属峰。UV-Vis显示贵金属修饰显著增强可见光区吸收，Au-In₂O₃在520nm处出现典型LSPR吸收峰。

气敏性能研究
自然光下Au-In₂O₃对50ppm甲醛响应值达47.5，是纯In₂O₃的8.6倍。选择性实验表明LSPR效应使材料对甲醛的交叉响应比从2.1提升至15.7，DFT计算证实该选择性源于甲醛LUMO能级(-1.38eV)与材料导带边缘(-1.25eV)的能级匹配。

机制分析
创新性提出LSPR效应改善性能的双重机制：一是金属纳米粒子产生的热电子越过肖特基势垒进入In₂O₃导带，降低电子-空穴复合率；二是局域电磁场增强促进氧分子解离为活性氧物种(O^-)。

结论与意义
该研究首次建立敏感材料导带边缘能级与选择性的直接关联，阐明LSPR效应通过改变电子来源（金属而非半导体）提升性能的物理本质。开发的室温自然光驱动传感器突破传统半导体传感器需加热的局限，为发展新一代低功耗、高选择性气体传感器提供理论指导和技术范式。研究获得国家自然科学基金（61704120、61804109）和天津市自然科学基金（22JCYBJC01140）支持。