Inorganic Chemistry Frontiers 十周年寄语：
Inorganic Chemistry Frontiers 致力于发表无机化学及相关跨学科领域的原创研究成果。为纪念 Inorganic Chemistry Frontiers 创刊十周年，我们撰写了一篇综述文章，探讨金属氧化物半导体 (MOS) 气体传感器中氧参与的复杂性。Inorganic Chemistry Frontiers 已成为并继续是专业读者与非专业读者了解创新进展的重要资源。我们为过去对 Inorganic Chemistry Frontiers 的贡献感到自豪，并期待其在未来十年中继续蓬勃发展，保持在无机化学领域的卓越表现，推动更多创新。
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研究背景
随着信息技术的飞速发展，传感器在生产和日常生活中的应用日益广泛，成为信息收集和信号转换不可或缺的组成部分。特别是在气体传感领域，气体传感器能够将气体分子的信息转化为可测量的电信号，它们在工业安全监测、资源勘探、大气环境监测、室内环境监测、航天领域和呼吸分析等多个领域发挥着关键作用。气体传感器的重要性不仅体现在其广泛的应用场景，还体现在其对环境感知和医疗诊断、工业安全的创新解决方案的贡献。随着技术的不断进步，传感器技术预计将在未来扮演更加重要的角色，为人类社会提供更大的便利和安全。
金属氧化物半导体 （MOS） 因其优异的物理化学性质，在众多气体传感材料中脱颖而出，展现出高稳定性、快速响应及低成本等优势，成为气体传感器领域的热门选择。然而，MOS 气体传感器的性能深受其表面化学反应机制的影响，尤其是氧气在气敏反应中的参与程度与方式，一直是困扰材料设计的关键问题。
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综述内容
近日，吉林大学李国栋教授团队总结了 MOS 气体传感器和相关气敏机制发展历程，特别聚焦于氧气在其中的关键作用。传统上，电子耗尽层/空穴积累层理论被广泛接受，强调了化学吸附氧在气敏反应中的核心地位。然而，最新研究观察对这一传统氧吸附机制提出了挑战，指出在某些条件下，晶格氧也积极参与其中。文章系统梳理了现有理论及提升传感器性能的方法，详细阐述了晶格氧参与的具体场景、当前研究认识以及表征手段。在总结部分，文章展望了 MOS 基气体传感器的未来发展，并提出了引导后续研究深入探索的关键问题。
图1 气体传感器的应用领域。
首先，文章总结了 MOS 气体传感器在工业安全监测、资源勘探、大气环境监测、室内环境监测、航空航天领域、疾病检测领域等应用场景的发展现状。文章综述了 MOS 气体传感器的发展历程与未来走向：自20世纪30年代起源以来，经历了 ZnO 敏感性的发现、电阻式传感器的技术突破、SnO2 基传感器的商业化应用，以及 MEMS 技术与传感器阵列的创新发展；当前，MOS 气体传感器正不断向低功耗、高精度、小型化、自动化及可穿戴等方向迈进。
图2 MOS 气体传感器的发展历程。
图3 气敏机理发展的时间轴。
接着，文章将不同浓度氧参与的 MOS 传感器传感机理总结为以下情况：低还原气浓度下，表面吸附氧主导反应，确保足够反应物；高还原气浓度时，晶格氧成主要反应者，产生氧空位增强响应；而当两者浓度适中，表面吸附氧与晶格氧协同作用，共同最大化传感器响应，实现对还原性气体的高效可靠检测。
图4 不同氧参与程度下 MOS 传感器传感机理示意图。
最后，文章分析了未来气体传感研究的关键方向。未来气体传感研究将围绕以下核心方向展开：首先，深入理解气体传感机制，尤其是吸附氧与晶格氧之间的动态相互作用，将为新型气体传感器的设计提供重要依据。其次，探索新型半导体材料、导电聚合物和金属有机框架 (MOFs) 等创新材料，有望显著提升传感器的灵敏度和选择性。第三，开发新型传感器结构，如纳米复合材料和多孔材料，可以扩大气体传感应用的设计空间，提高响应速度和检测限。最后，结合物联网 (IoT) 和人工智能 (AI) 技术的快速发展，推动气体传感器向智能化转型，实现实时数据分析和模式识别，为环境监测和安全管理等领域带来更高效、更精准的解决方案。
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论文信息
Surface oxygen chemistry of metal oxide semiconductors for gas-sensing applications
Jiayu Li, Ertai Na, Xudong Liang, Qihua Liang, Meihong Fan, Hui Chen, Guo-Dong Li and Xiaoxin Zou
Inorg. Chem. Front., 2024,11, 8602-8626
https://doi.org/10.1039/D4QI02385D
*文中图片皆来源上述文章
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通讯作者简介
李国栋 教授
吉林大学
李国栋，吉林大学化学学院教授，博士生导师。2001年于吉林大学化学学院取得理学博士学位。1999-2001香港科技大学访问学者，2001年起就职于吉林大学化学学院。发现了最细的单壁碳纳米管及其超导性质。在 Nature、Science 等杂志上发表 SCI 论文100余篇。相关成果曾获教育部自然科学一等奖（2012年，第二完成人）和上海市自然科学奖一等奖（2015年，第四完成人）。
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