综述：先进气体传感器绿色合成方法的最新进展与展望

《Microchemical Journal》：Recent advances and prospects on green synthesis approaches for advanced gas sensors

　　

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  绿色合成利用植物、真菌和微生物途径实现了环保合成。
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  可持续纳米结构在室温气体传感方面显示出巨大潜力。
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  主要挑战包括传感响应有限、响应缓慢、恢复和选择性差。
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  金属氧化物、二维材料和碳纳米结构在提升传感性能方面的进展。
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  绿色化学原则指导着高效和可持续气体传感器的设计。

引言

气体传感设备已成为各种家庭、工业、汽车和医疗系统高效运行的关键 [1]。这些设备专门设计用于在不同环境中检测、测量和监测各种气体 [2]。目前，气体传感器已广泛应用于工业安全、环境监测、医疗诊断、农业和城市管理等领域 [2], [3]。它们提供了应对气候变化、公共卫生问题、空气污染和资源管理等全球性问题的必要实时信息 [1]。必须持续监测二氧化碳 (CO?)、氮氧化物 (NO?)、硫化氢 (H?S) 和二氧化硫 (SO?) 等空气污染物，因为这些气体是气候变化和空气质量恶化的主要贡献者 [1], [2], [3]。其来源包括工业操作、车辆排放以及森林砍伐等活动，这些活动可能会进一步升高它们的大气浓度 [3]。此外，使用传感器监测温室气体排放对于收集有助于制定旨在应对全球变暖驱动的气候变化的全球政策的数据至关重要 [4]。

工业也需要具有高热传感响应和灵敏度的气体传感器来检测有毒、有害和可燃气体的存在，从而确保工人的安全并防止灾难性事故 [5]。此类传感器的实施大大降低了气体泄漏的风险，提高了工业环境中的安全性和运营效率 [6]。在医疗保健领域，气体传感器彻底改变了诊断和患者监测技术 [3], [4], [5], [6], [7]。通过呼吸分析，它们可以检测丙酮和其他挥发性有机化合物 (VOCs) 等特定生物标志物，允许对糖尿病和呼吸道感染等疾病进行早期、无创诊断 [8]。

气体传感器在科学和工程的各个领域都很重要，但它们面临着与低传感响应、选择性、长响应和恢复时间以及耐用性相关的几项挑战 [9]。纳米技术和物联网的最新进展导致开发了准确且经济可行的气体传感器 [9], [10]。特别是纳米材料，由于其独特的性质，表现出卓越的传感能力，通常超越其块体对应物 [9], [10]。它们的小尺寸导致大面积，大多数原子暴露在表面 [10]。此外，它们的化学性质和反应性可以精确修饰，从而在使用这些材料设计的气体传感器中显著提高传感响应、选择性以及更快的响应和恢复时间 [10], [11], [12], [13]。

绿色化学基于十二条原则 [14], [15]，强调最小化废物和副产品的生成，创建更安全的化学品和产品，设计化学合成以降低毒性，并利用可再生和环保的原材料。它还强调使用有效催化剂，减少不必要的衍生化步骤，最大化起始材料在最终产品中的掺入（实现原子经济性），并通过使用危害较小的化学品来控制污染。通过在环境温度和低压下进行反应提高效率，使用更安全的溶剂和使用如乙醇、丙酮、甲醇和水等反应条件，设计产品在使用寿命结束时安全降解，以及选择最小化包括爆炸和火灾在内的事故风险的物质也是绿色化学的关键组成部分 [16]。

传统的纳米颗粒合成化学和物理方法通常涉及高能耗和有毒溶剂及试剂，导致环境问题 [17]。相比之下，绿色合成依赖无毒、环保和安全的试剂 [14]，旨在生产更简单、更便宜和更稳定的纳米颗粒 [18]。植物、植物提取物、细菌、藻类、酵母和真菌等生物材料通常用于绿色合成方法。在纳米颗粒的生物合成过程中，蛋白质、酶、糖类、黄酮类化合物和酚类物质作为天然还原和稳定剂 [19]。

近期的进展集中在改善由绿色合成的金属氧化物半导体、二维 (2D) 材料、碳基纳米结构和金属纳米颗粒制成的传感器的传感性能。本综述全面概述了这些新兴材料如何推进气体传感领域，特别关注战略性材料选择、环保合成方法以及继续阻碍气体传感器性能的关键挑战。将绿色化学原则与先进纳米材料的发展相结合，本综述为设计既高效又环境可持续的下一代气体传感器提供了清晰的框架。图 1 展示了本综述的轮廓。

章节摘要

绿色合成方法

近期的研究突出了用生物合成方法（通常称为绿色合成）替代传统的材料合成物理和化学技术的日益增长的兴趣 [20]。纳米材料合成通常分为两种主要方法：“自上而下”和“自下而上”方法。

在自上而下的方法中，纳米材料是通过利用水等各种化学和物理过程将块体材料分解成更细的颗粒而形成的，

影响绿色合成的因素

几个参数在确定通过生物方法合成的纳米颗粒的物理特性和稳定性方面起着关键作用 [37]。在这些因素中，反应介质的 pH 值尤其重要 [38]。氢离子浓度的变化可能导致所得纳米颗粒形状和尺寸的变化 [37], [38]。

温度是影响纳米颗粒形态的另一个重要参数。它影响的动力学

化学电阻式气体传感器

化学电阻式气体传感器通过将化学相互作用转化为电信号来检测各种气体，使它们成为环境监测、食品安全和医疗应用的重要工具 [2], [3]。这些传感器的性能受几个关键参数控制，包括传感响应、选择性、检测阈值、响应和恢复时间以及稳定性。

金属氧化物

锌在地壳中储量丰富，有助于氧化锌 (ZnO) 的成本效益，使其适用于实际应用 [58], [59], [60]。在用于检测气体的众多材料中，ZnO 由于其环境条件下的直接带隙，特别是作为一个领先的 n 型半导体而脱颖而出 [61]。其适用于气体检测的特性源于高电子传输率、强电等理想特性的组合

基于二维材料的气体传感器

近期的研究突出了几种二维材料——如氧化石墨烯、还原氧化石墨烯 (rGO)、TMDs、六方氮化硼、黑磷和 MXenes（过渡金属的二维碳化物和氮化物）[75], [76], [77], [78], [79], [80] 在室温下检测有害气体分子的潜力。这些材料相比传统气体传感器具有显著优势，特别是在降低功耗方面，并显示出整合到柔性中的巨大潜力

碳基气体传感器

碳基纳米材料由于其独特的结合高表面积、可调节的表面化学、优异的电导率和机械柔性而成为气体传感应用的有前途的候选者 [90], [91], [92], [93], [94], [95]。它们从可再生或废物衍生来源的可持续生产也符合对环境友好技术日益增长的关注 [95], [96], [97], [98], [99], [100]。Sawalha 等人报道了碳的使用

结论与未来展望

气体传感领域随着绿色合成的金属氧化物半导体、二维材料和碳基纳米结构等先进材料的引入而取得了显著进展。向绿色合成方法（特别是涉及植物基或生物过程的方法）的转变，通过使传感器制造与环境可持续实践保持一致，进一步增加了价值。

这些材料独特的结构和电子特性，例如高

CRediT 作者贡献声明

Ruchika Thayil: 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，可视化，调查，形式分析，数据整理，概念化。

未引用参考文献

[51]

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。