摘要：在气体传感器的实际应用中，乙醇干扰是精准检测目标气体的关键难题。传统方法为减少乙醇干扰，常采用催化氧化等手段，但这往往会导致目标气体响应降低、选择性改变以及响应动力学变缓等问题，严重影响传感器的性能。

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一、研究背景与挑战

在气体传感器的实际应用中，乙醇干扰是精准检测目标气体的关键难题。传统方法为减少乙醇干扰，常采用催化氧化等手段，但这往往会导致目标气体响应降低、选择性改变以及响应动力学变缓等问题，严重影响传感器的性能。

以室内甲醛检测为例，甲醛即使在痕量水平也会对人体健康造成危害，世界卫生组织（WHO）为此制定了室内甲醛暴露指南，规定其安全阈值为 80 ppb。然而，在实际环境中，乙醇不仅普遍存在，且浓度往往高于目标气体，这使得研发能完全消除乙醇干扰的传感策略变得极为迫切。

基于此，本研究提出了一种简便且通用的策略：在氧化物传感器上涂覆酸性质子型 ZSM-5（HZSM-5）覆盖层，旨在消除乙醇抑制的同时，不损害传感器的固有传感特性。

二、传感器设计与制备

本研究设计的双层传感器核心在于调控乙醇的氧化路径。具体而言，是在 In₂O₃传感膜表面沉积 HZSM-5 覆盖层，利用其酸性特性，将乙醇脱水转化为反应活性较低的乙烯，而非通过传统的过度氧化将其转化为其他物质。

在制备过程中，首先通过喷雾热解及后续热处理合成 In₂O₃空心球。这些空心球具有高比表面积与丰富的介孔结构，比表面积达 8.6 m²/g，介孔尺寸在 10-30 nm 之间，有利于气体的接触和传感反应。

对于 HZSM-5 覆盖层，制备了不同 SiO₂/Al₂O₃比例的样品，如 23 和 318。其中，23HZSM-5 呈现亚微米级不规则形貌，318HZSM-5 则为微米级球形形貌。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像显示，两种 HZSM-5 均具有多孔结构，且其 SiO₂/Al₂O₃比例会显著影响传感器对甲醛相对于乙醇的选择性。

三、传感性能与机制

实验结果显示，23HZSM-5/In₂O₃双层传感器表现出优异的传感性能。在 225℃时，对 1 ppm 甲醛的响应值为 26.5，且甲醛与乙醇的响应比（SF/SE）达到 35.51，远高于纯 In₂O₃传感器，展现出对甲醛的高选择性。

该传感器的检测限低至 1.1 ppb，远低于美国职业安全与健康管理局等机构规定的暴露限值，能够精确监测亚 ppb 级别的甲醛。

通过 NH₃程序升温脱附（NH₃-TPD）分析发现，23HZSM-5 的酸位点数量为 1.57 mmol/g，显著高于 318HZSM-5 的 0.17 mmol/g。这使得 23HZSM-5 能够更有效地将乙醇转化为乙烯，而非高反应性的乙醛。

质子转移反应四极杆质谱（PTR-QMS）与原位漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）分析进一步验证了上述机制。DRIFTS 光谱中，950 cm⁻¹ 附近乙烯的特征峰随温度升高而增强，证实了乙醇在 HZSM-5 表面脱水生成乙烯的过程。

四、普适性与实际应用

该策略具有良好的普适性，将 23HZSM-5 应用于 SnO₂和 ZnO 传感器后，其对甲醛的选择性均得到显著提升。在 SnO₂传感器中，甲醛与乙醇的响应比提升至 11.31；在 ZnO 传感器中，这一比值更是达到 20.3。

在实际混合气体环境中，当1 ppm 甲醛与 1-5 ppm 乙醇混合时，涂覆 23HZSM-5 的传感器表现出更稳定的甲醛响应，相对标准偏差较未涂覆传感器降低 50% 以上，展现出在复杂环境中的适用性。

此外，基于 23HZSM-5 的传感器阵列，包括 23HZSM-5/In₂O₃、23HZSM-5/Ti-NiO 和 23HZSM-5/Pd-SnO₂等，通过主成分分析（PCA）能够清晰区分甲醛、苯、甲苯和对二甲苯等室内空气污染物与乙醇，为室内空气监测电子鼻的开发提供了有力支持。

五、结论与展望

本研究通过构建具有酸性 HZSM-5 覆盖层的双层传感器，成功开发出一种消除乙醇干扰的通用策略。该策略的核心在于通过调控乙醇的脱水反应，而非传统的过度氧化，从而在消除乙醇干扰的同时，保留了目标气体的传感性能。

未来，这一策略有望拓展至其他气体的检测，如 H₂、CH₄和 CH₃OH 等。通过进一步优化 HZSM-5 覆盖层的厚度和酸性，传感器的性能还可得到进一步提升。此外，将传感器阵列与模式识别技术相结合，可为室内空气污染物的监测提供更高效、精准的解决方案。

一起来做做题吧

1、以下哪项是传统方法减少乙醇干扰时常见的问题？

A. 目标气体响应降低

B. 传感器成本增加

C. 检测温度范围缩小

D. 传感器尺寸变大

2、HZSM-5 覆盖层调控乙醇氧化路径的主要机制是？

A. 催化乙醇脱氢生成乙醛

B. 催化乙醇脱水生成乙烯

C. 物理吸附乙醇分子

D. 分解乙醇为 CO₂和 H₂O

3、23HZSM-5/In₂O₃传感器对 1 ppm 甲醛的最优响应温度是？

A. 225℃

B. 250℃

C. 300℃

D. 325℃

4、在 SnO₂传感器中涂覆 23HZSM-5 后，甲醛 / 乙醇选择性比（SF/SE）可达？

A. 1.08

B. 11.31

C. 20.3

D. 35.51

5、以下哪项不是 HZSM-5 双层传感器的未来应用方向？

A. 呼吸检测中的 H₂监测

B. 工业场景的 CH₄检测

C. 食品新鲜度监测中的乙醇检测

D. 室内空气的 CH₃OH 监测

参考文献：

Kim, et al. Mitigating alcohol inhibition of oxide chemiresistors: bilayer sensors with HZSM-5 zeolite overlayers. Nat Commun 16, 5121 (2025).

来源：知识泥土六二三