质子化与氧空位协同效应实现多金属氧酸盐在亚零度环境下ppb级二氧化氮检测

本研究报告了一种缺陷工程设计的磷钨酸（PW12）基传感器，通过质子化（Protonation）与氧空位（Oxygen Vacancies）的协同作用，在-10?°C低温环境下实现了0.17?ppb超高灵敏度NO2检测与7/9?秒级快速响应/恢复性能，为极端环境下的气体传感提供了突破性解决方案。

　　

Highlight

这项研究开创性地通过质子缺陷协同工程策略，使磷钨酸传感器实现了亚零度环境下ppb级NO₂检测，突破了传统传感器在低温环境中的性能局限。通过揭示布朗斯特酸质子（Br?nsted acid protons）与氧空位在激活NO₂化学吸附和氧化还原转化中的协同机制，本研究开创了能源高效的低温气体传感材料策略。传感器与智能通风系统的集成进一步展现了其在实际环境控制中的应用潜力。

Preparation of PW₁₂-based material and fabrication of NO₂ sensor

实验采用的PW₁₂为默克集团上海子公司提供的十二磷钨酸水合物（H₃PW₁₂O₄₀·xH₂O）。通过磷酸乙醇溶液超声分散获得均相溶液，静置后取固体残留物经乙醇反复洗涤，60°C真空干燥后，在氮气氛围中烧结制备PW₁₂气体传感材料。

Defect engineering of PW₁₂

为提升PW₁₂的NO₂传感性能，我们采用可控热处理策略调控其表面特性。温和退火过程有效去除表面吸附水，产生自由质子并暴露活性氧空位。 liberated protons通过氢键增强NO₂吸附，而氧空位则通过电子转移激活NO₂分子，促进其转化为NO₂^-中间体，随后通过氧气氧化最终形成NO₃^-。

Conclusion

本研究证明，通过对磷钨酸（PW₁₂）的理性缺陷工程，可在恶劣条件下实现卓越的NO₂传感能力。通过引入表面质子和氧空位，我们实现了0.17?ppb的检测下限和低至-10?°C的可靠传感性能。光谱学和理论分析证实了这些活性位点在促进NO₂强吸附和高效氧化还原转化中的协同作用。