一种基于ZIF-8的三元异质结构气体传感器，用于监测苯微量泄漏及自主机器人巡检

《Journal of Hazardous Materials》：A ZIF-8-based ternary heterostructure gas sensor for monitoring benzene micro-leakage and autonomous robotic inspection

　　

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  制备了一种 Pd-ZnO@ZIF-8 异质结构苯气敏材料。
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  该苯传感器具有检测下限低、检测速度快、稳定性高等特点。
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  视觉-嗅觉机器人已实现泄漏风险智能化巡检。

引言

苯（C₆H₆）是一种用途广泛的工业原料，也是一种常见的高挥发性有机污染物，广泛存在于石油化工生产、室内装修环境以及汽车尾气中。苯对人体健康危害极大，它对神经系统和造血系统具有毒性，已被世界卫生组织下属的国际癌症研究机构（IARC）明确列为Ⅰ类致癌物。接触苯可引起头痛、恶心、意识混乱和昏迷等症状，严重时甚至可能导致死亡。长期暴露于低浓度苯（即使低于职业接触限值但持续暴露）可使苯通过呼吸道和皮肤进入人体，并在骨髓中蓄积，破坏造血微环境。这不仅可能导致白细胞减少、血小板减少等造血功能障碍，还会显著增加患白血病（尤其是急性白血病）的风险 [1]、[2]、[3]。迄今为止，已采用多种方法进行苯的检测 [4]、[5]、[6]、[7]。其中，半导体金属氧化物（如 TiO₂ [8]、[9]、Co₃O₄ [10]、SnO₂ [11]、CuO [12]、ZnO [13]）因其成本低廉、体积小、灵敏度高、易于集成等优点，已成为苯检测的理想候选材料。

在众多气体传感材料中，氧化锌（ZnO）作为一种典型的 n 型宽禁带半导体，凭借其制备工艺简单、成本低、环境相容性优异、形貌易于调控等突出优势，在气体传感领域获得了广泛的研究与实际应用。Zhang 等人 [14] 开发了一种 Au-ZnO/WSe₂ 纳米复合材料，该材料在室温（25 ℃）下对 50 ppm 苯的响应可高达 520%，表现出出色的灵敏度。然而，其检测速度相对较慢，响应/恢复时间分别为 40?s/58?s。因此，ZnO 在检测苯泄漏方面面临较大挑战。此外，基于 ZnO 的苯传感器选择性较差，容易受到环境中其他气体（如甲苯）的交叉干扰。这些固有缺陷严重限制了基于 ZnO 的传感器在痕量苯泄漏检测中的实际应用。为解决这一问题，研究者可通过贵金属修饰、构建异质结构材料或制备多孔材料等手段显著提升气体传感性能 [15]。

金属有机框架（MOFs）是一类由金属离子与有机配体自组装形成的结晶多孔材料。其超高的比表面积、可调的孔道结构以及丰富的表面化学性质，使其在气体吸附与分离领域具有巨大的应用潜力 [16]。其中，沸石咪唑酯框架-8（ZIF-8）作为经典 MOF 材料的典型代表，由 Zn²⁺ 与 2-甲基咪唑配位构建而成。它不仅继承了 MOFs 的共性优势，还具有更优异的化学稳定性和热稳定性。基于上述优异性能，ZIF-8 在气体传感领域的应用潜力已被广泛探索 [17]。例如，Matatagui 等人 [18] 开发了一种基于 ZIF-8 与 ZIF-67 的新型化学传感器。该传感器充分利用了 MOFs 材料的高比表面积和孔选择性，不仅显著降低了检测下限，对低至 10 ppm 的甲苯蒸气也表现出显著的响应。另一项研究中，Chen 等人 [19] 通过制备 ZnO/Pd@Co 节点取代的 ZIF-8 纳米棒，有效实现了高选择性的甲烷传感。其关键在于将 ZIF-8 设计为气体选择性过滤层，通过精确调控其包覆厚度，实现了对 WO₃ 传感性能的方向性优化。这些结果充分表明，ZIF-8 凭借其独特的结构优势，已成为提升气体传感器性能的理想功能材料之一。

在气体泄漏检测领域，传统固定式传感器往往受限于其监测范围有限，而人工巡检则可能存在较大的安全风险。相比之下，自主移动机器人凭借其灵活性和自主性，逐渐成为复杂环境下泄漏检测的重要技术手段。Xiang 等人 [20] 将优化后的 YSZ 基电化学传感器与激光雷达及超声波风速计集成，构建了一个多传感器融合的机器人平台。通过结合实时风场建模与 TD3 强化学习算法，该平台在波动气流条件下实现了气体泄漏检测与自主导航。此类机器人系统能够有效降低气流扰动和障碍物的影响，从而提升在复杂环境中对泄漏源点的定位能力。

本研究采用水热法与溶剂热法成功制备了具有 Pd-ZnO@ZIF-8 三元层状结构的复合材料，并基于该材料构建了高性能苯检测传感器。系统的表征分析确认了材料的结构与组成，并对其气体传感性能进行了详细评价。结果表明，该传感器对苯气表现出优异的灵敏度，以及快速响应与恢复特性，成为发展痕量苯泄漏监测技术的有前景的功能材料与传感器器件。此外，基于嗅觉与视觉感知技术开发出的苯泄漏监测巡检系统，为微小苯泄漏的实时、快速、远程可视化预警提供了一种可行的解决方案。

章节摘要

实验材料

醋酸锌二水合物（Zn(CH₃COO)₂·2H₂O）和盐酸（HCl）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。氢氧化钠（NaOH）、2-甲基咪唑（C₄H₆N₂）、抗坏血酸（C₆H₈O₆）、氯化钯（PdCl₂）和甲醇（CH₃OH）均购自上海麦克林生化科技股份有限公司。所有化学试剂均直接用于实验，未经进一步纯化。

材料表征

Pd-ZnO@ZIF-8 的扫描电子显微镜（SEM）表征结果如图 2(a-b) 所示，ZIF-8 分散在 ZnO 纳米棒周围。此外，如图 2(c) 所示，锌、氧、氮和钯元素在整个复合材料中均匀分布。在 Pd-ZnO@ZIF-8 的透射电子显微镜（TEM）图像（图 2(d)）中，ZIF-8 和 Pd 均匀分布在 ZnO 表面，形成清晰的异质结。如图 2(e) 所示，可观察到明显的

结论

综上所述，本研究构建了 Pd-ZnO@ZIF-8 三元异质结构气体传感器以及苯泄漏监测巡检平台。该传感器的检测下限低至 ppb 级别，响应/恢复时间仅为 2?s/2?s，表现出优异的灵敏度和长期稳定性。其监测系统能够实现微量苯泄漏监测与分级预警。通过将该系统与智能机器人相结合，融合嗅觉与视觉感知

CRediT 作者贡献声明

张承宇：数据整理。 Zhu Liang：软件。李广斌：调查研究。张兆刚：调查研究。周鹏：软件。张东志：经费获取。段旭阳：方法学。张浩：方法学。

利益冲突声明

作者声明不存在可能对本研究结果产生影响的可预见或不可预见的经济利益或个人关系。

致谢

本研究获得国家重点研发计划（2024YFB3214100）、国家自然科学基金（52475580）、山东省重点研发计划（2024CXGC010706）、山东省自然科学基金（ZR2023ME118）、山东省自然科学基金（ZR2026QC1126）、中石油创新基金（项目编号：2026DQ02006）以及中国自主技术创新研究专项科技专项的资助。

段旭阳|张浩|张承宇|Zhu Liang|李广斌|张兆刚|周鹏|张东志