自然阳光能够激发ZnO/ZIF-8衍生的NO?气体传感器，使其具有优异的检测性能，该传感器在汽车尾气检测领域具有广泛的应用前景

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Natural sunlight excited ZnO/ZIF-8 derivative NO x gas sensor and its application in automobile exhaust gas detection

本研究通过引入多孔ZnO前驱体至ZIF-8孔道，制备ZnO/ZIF-8复合材料光敏传感器，在自然光、365nm LED及氙灯激发下，成功将工作温度降至150℃，实现20ppm NOx检测灵敏度达7.48倍，检测限低至50ppb，并验证其在实际车辆尾气检测中的可行性。

　　近年来，随着现代工业的迅速发展，大量易燃易爆气体和有毒有害气体被随意排放到空气中，导致空气质量下降，对人类生活和财产安全构成威胁。工业排放的增加使环境污染成为当今人类面临的主要问题之一。其中，氮氧化物（NO?）作为一种重要的工业废气污染物，对人体健康具有严重危害，高浓度的NO?可能导致呼吸系统疾病，甚至危及生命。因此，准确检测NO?已成为当前环保和健康监测领域的重要任务，其核心在于能够在不受到其他污染物干扰的情况下实现精准测量。为应对这一挑战，科学家们不断研发新型气体传感器。气体传感器通常采用半导体材料作为主要的传感材料，利用其对气体的响应特性实现检测功能。

金属有机框架（MOFs）因其多孔结构、高比表面积等优异性能，成为气体传感领域的重要研究对象。然而，MOFs材料本身导电性较低，限制了其在气体传感中的应用。通过进一步的热解过程，可以获得其衍生物，从而显著提高导电性。例如，Bu等人报道了一种基于钒基MOF的气体传感器，对50 ppm NO?表现出高达527%的响应值。Yan等人则通过MOF衍生方法合成了ZnO@Co?O?多孔中空笼状纳米材料，展现出对三甲胺（TMA）的气体传感性能。Zn-MOF衍生物纳米颗粒对气体具有显著的吸附能力，有助于提升气体敏感响应。

在当前的研究中，多数气体传感器使用紫外光作为激发光源，但紫外光需要较高的能量，且对人类健康有害。因此，寻找更加环保、安全的激发光源成为研究重点。近年来，自然阳光和可见光LED被用于气体传感器的激发光源，这不仅降低了能耗，还减少了对人类的潜在危害。特别是自然阳光，因其宽广的光谱范围和较低的能量密度，被认为具有极大的应用潜力。然而，目前关于使用单个LED或自然阳光作为激发光源的陶瓷气体传感器研究较少，相关成果也不够丰富。

为了探索自然阳光作为气体传感激发光源的可能性，本研究采用了一种创新的合成方法，将多孔ZnO前驱体引入ZIF-8的通道中，确保其骨架在热解过程中保持完整性，并制备了ZnO/ZIF-8衍生物用于检测NO?气体。通过对比不同激发光源（自然阳光、365 nm LED和氙灯）下的气体敏感性能，发现与黑暗条件相比，使用自然阳光作为激发光源时，传感器的运行温度降低了70℃，对20 ppm NO?的气体敏感响应值达到了黑暗条件下的7.48倍，检测限低至50 ppb。此外，在自然阳光、365 nm LED或氙灯的激发下，室温下的气体敏感响应也可实现，显示出良好的实际应用前景。

在实验过程中，研究人员采用了多种测试手段，包括X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等，对ZnO/ZIF-8衍生物的结构和性能进行了系统分析。结果表明，该复合材料具有较高的比表面积和均匀的孔结构，有助于提升气体吸附能力。同时，通过光致发光（PL）光谱测试发现，该材料对光生载流子的分离效率较高，从而提高了其气体敏感响应。

在气体敏感性能测试中，研究者对不同浓度的NO?、SO?、H?S、HCHO和NH?进行了检测，发现ZnO/ZIF-8衍生物对NO?表现出最佳的气体敏感响应，对H?S响应较弱，对其他气体则无响应，这表明其具有良好的气体选择性。同时，测试还发现，该传感器在黑暗条件下的响应值较低，而使用自然阳光、365 nm LED或氙灯作为激发光源时，其响应值显著提升，且响应和恢复时间均有所缩短。特别是自然阳光，虽然其能量密度较低，但由于光谱范围宽广，能够有效激发更多的电子进入亚稳态能级，并在热能作用下进一步转化为自由电子，从而显著提升气体敏感响应。此外，研究还发现，高湿度环境可能会影响传感器的响应性能，因为水分子会占据材料表面的活性位点，影响气体吸附和反应过程。

为了验证该传感器的实际应用价值，研究者将其用于汽车尾气中NO?浓度的检测。实验结果显示，该传感器在自然阳光下对尾气中的NO?具有较高的检测灵敏度，能够准确反映尾气中NO?的浓度变化。通过对比不同车辆型号（如Jeep和Hyundai）的检测数据，进一步验证了该传感器的稳定性和重复性。这些实验结果表明，ZnO/ZIF-8衍生物气体传感器不仅具有良好的气体选择性和灵敏度，还能够在较低的运行温度下实现有效检测，为开发新型光致气体传感器提供了有力支持。

研究还探讨了光致气体敏感机制。通过XRD和PL光谱分析，发现ZnO/ZIF-8衍生物的禁带宽度低于单独的ZnO或Zn2?-ZIF材料，这意味着其光吸收范围更广，光吸收能力更强。此外，光致激发可以促进电子和空穴的分离，形成有效的电荷传输通道，从而提升气体敏感响应。在光照条件下，材料表面会生成大量的光生电子和空穴，这些载流子在电场作用下发生定向迁移，提高了材料的导电性。同时，光致激发还能有效促进气体分子从材料表面的脱附，缩短了传感器的恢复时间。

实验结果还表明，光致激发不仅能够降低传感器的运行温度，还能显著提高其气体敏感性能。在自然阳光、365 nm LED和氙灯的激发下，传感器对NO?的响应值分别达到了187、27和8，且响应时间与恢复时间均明显缩短。特别是在自然阳光的激发下，传感器在室温下的响应值较低，但其检测限仍可达50 ppb，表明其在低浓度检测中具有良好的性能。而在365 nm LED和氙灯的激发下，传感器在室温下能够实现对20 ppm NO?的检测，且响应时间更短，显示出更高的实用性。

从实验数据来看，自然阳光的激发效果最为显著，其响应值最高，且在光照条件下能够实现更宽的光谱范围。然而，自然阳光的强度较低，因此在室温下检测的NO?浓度需要降低至2 ppm，才能达到较好的响应效果。相比之下，365 nm LED和氙灯虽然能量密度较高，但其光谱范围较窄，仅覆盖部分可见光和紫外光区域，因此在某些情况下，其激发效果不如自然阳光。此外，氙灯的光谱范围和自然阳光存在部分重叠，但其对材料的激发作用相对有限。

综上所述，ZnO/ZIF-8衍生物气体传感器具有良好的光致气体敏感性能，其结构和性能均优于传统材料。通过引入多孔ZnO前驱体，不仅保持了ZIF-8骨架的完整性，还显著提升了导电性和气体敏感响应。同时，该传感器能够在自然阳光、365 nm LED和氙灯的激发下实现室温检测，为开发高效、环保的气体传感器提供了新的思路。研究还表明，自然阳光的使用不仅降低了能耗，还减少了对人类健康的潜在危害，具有较高的应用价值。因此，该研究为未来气体传感器的设计和开发提供了重要的理论依据和实验支持，展示了光致气体传感在环保监测和工业应用中的巨大潜力。