氨气是一种常见的室内污染气体和人体呼出气标志物，发展低浓度氨气的室温气体传感材料具有重要的社会意义和科学意义。近日，华南师范大学王耀教授团队在《ACS Sensors》期刊上发表了题为“Si, O-codoped Carbonized Polymer Dots with High Chemiresistive Gas Sensing Performance at Room Temperature”的研究论文（DOI: 10.1021/acssensors.4c00617）。该工作设计制备了硅氧共掺杂碳化聚合物点，用以实现高响应性、高选择性和高稳定性的氨气室温传感。

论文要点如下：

基于金属氧化物（MOS）和导电聚合物的化学电阻式气敏传感材料与器件分别是目前氨气传感的两个主要研究方向，但MOS的传感机理决定了其较高的工作温度（>150℃），这导致了高能耗和应用风险，而导电聚合物材料则在长期稳定性和湿度抗性方面普遍存在一定不足。此外，上述材料的制备原料及工艺往往较为复杂且存在潜在的环境危害，不利于大范围的实际应用与开发。

碳化聚合物点（Carbonized polymer dots, CPDs）是一种零维纳米材料，具有制备简单、易功能化、生物友好等优势，近年来在发光材料、生物医用材料、传感材料等领域展现出巨大潜力。CPDs具有丰富的官能团和表面孔隙，有利于与气体分子产生电荷传输，从而大幅提升材料的传感性能。同时，由于CPDs的化学组分易于调控，可以选取特定化学结构的前驱体以满足材料在选择性、稳定性、抗湿性等方面的需求。

本工作以三乙氧基硅烷和柠檬酸作为前驱体，通过一步水热法制备了硅氧共掺杂碳化聚合物点（Si, O-CPDs），并应用于化学电阻式氨气室温传感。基于该材料的传感器件表现出稳定、高效的氨气传感性能，且具有优异的长期稳定性和湿度抗性。

图1. Si, O-CPDs的制备工艺。

基于Si, O-CPDs的传感器具有优异的氨气传感性能，包括高灵敏度（Ra/Rg = 1.42, 5 ppm），高选择性和快速响应/回复性（30 s/36 s），实际检测限低至1 ppm。基于良好化学稳定性的硅氧结构，该传感器具有优异的稳定性（120天内响应值偏差<5%）和湿度抗性（20%-80%相对湿度下响应值偏差<5%），为该材料及其器件在实际场合的应用提供了可靠保障。机理研究表明，硅氧共掺杂使碳化聚合物点表现出N型半导体的特性，为电子捕获及传输提供位点和通道，同时，硅氧键可在水分子存在的情况下与氨气发生特征的可逆水解反应，为材料提供优秀的传感选择性和抗湿性。

图2. (a) Si, O-CPDs 的传感机理示意图；(b) Si, O-CPDs的氨气传感性能组图，分别为浓度梯度响应曲线、响应-回复曲线、湿度抗性和长期稳定性柱状图。测试条件均为室温，5 ppm 氨气。

课题组硕士生尹昱博和高宜逊副研究员为本文共同第一作者，华南师范大学华南先进光电子研究院王耀教授为论文通讯作者，华南师范大学为第一完成单位。本研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、“111计划”、广东省光信息材料与技术重点实验室、广东省教育厅创新团队和广州市科技计划等项目的支持。

王耀教授团队领导的先进信息材料（AIM）课题组在光、电、气体和温度等响应型功能信息和智能传感材料研究方面取得了一系列重要突破，近三年已在《Advanced Functional Materials》、《ACS Nano》、《Advanced Science》、《Small》、《Journal of Materials Chemistry A》、《ACS Applied Materials & Interfaces》、《ACS Sensors》等国际期刊上发表20多篇原创性学术论文，为华南师范大学在功能信息和智能传感材料领域的科学研究做出了贡献（课题组网站www.scnuaim.cn）。

       论文链接：https://doi.org/10.1021/acssensors.4c00617

       撰稿人：高宜逊

       公众号推文链接：华南师范大学王耀教授团队《ACS Sensors》：硅氧共掺杂碳化聚合物点用于高性能室温氨气传感