基于钙钛矿的传感器能检测氨泄漏，浓度低至1 ppm。

由韩国材料科学研究院（KIMS）能源与环境材料研究部首席研究员宋明宽领导的团队开发了一种利用环保无铅钙钛矿材料的超灵敏氨气传感器。

除了开发高性能传感器外，研究人员首次阐明了氨检测机制，为下一代钙钛矿基气体传感器的发展开辟了新方向。该技术预计将成为提升新兴氢能经济安全性的关键气体检测解决方案，该经济体以氨为能源载体。

该研究由釜山国立大学李亨宇教授、仁川国立大学姜永浩教授和澳大利亚麦觉理大学金振哲教授领导的团队合作开展。该研究发表在《小结构》期刊上。

氨最近因其能促进氢气的储存和运输而备受关注，因为它能够实现氢气的储存和运输，而氢气本身较难处理。因此，氨正逐渐成为氢能经济中的重要材料。然而，即使是微小的氨泄漏也可能对人体健康有害。

因此，能够立即检测痕迹泄漏的高性能传感器在储存和运输设施、电厂和工业场所至关重要。特别是，暴露于仅几十百万分之一浓度的氨，可能影响工人健康，这促使对更灵敏和更准确的检测技术需求增加。

传统的钙钛矿气体传感器可以高灵敏度检测氨，但大多数传感器含有铅（Pb），这对人体健康和环境有害，限制了其商业化潜力。为解决这一问题，研究团队开发了一种基于锑（Sb）的无铅钙钛矿，称为溴化甲酰胺锻（FA₃Sb₂Br₉），并将其作为氨气传感器的主动感应材料应用。最终的设备既实现了环境优势，也实现了卓越的传感性能。

传感器可靠地检测到低至1 ppm的氨浓度。随着氨浓度的上升，其信号持续增强，展示了其定量测定氨浓度的能力。当暴露于100 ppm浓度的氨中时，传感器响应时间仅为13秒，电信号提升了多达235%，展现出卓越的传感性能。

传感器对其他气体的响应显著降低，包括甲烷（CH₄）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOₓ）、氢气（H₂）和甲醇（MeOH），证实了其对氨的高选择性。存储两个月后，传感器保留了约97%的初始性能，展现出卓越的长期稳定性。它也可以通过简单的离心涂层工艺使用溶液基材料制造，非常适合大面积生产和低成本制造。

无铅钙钛矿基氨传感器的工作原理及感应响应特性。图片来源：国家科学技术研究委员会

该研究最重要的成就之一是识别出一种新的氨气感应机制，同时开发了高性能传感器。传统解释通常将氨传感器的电信号归因于氨分子吸附在感测材料表面。

然而，研究团队发现氨分子可逆地夹入钙钛矿材料中，并诱导p型掺杂。这一过程提高了材料的电导率，并产生了传感器信号。该机制与传统的表面吸附感测有根本不同，并为提升未来钙钛矿气体传感器的灵敏度和选择性提供了一种新的材料设计原则。

该技术可用作安全监测传感器，用于早期检测使用氨作为燃料或氢气载体的电厂和船舶的微量气体泄漏。它还可以部署在氨生产、储存和运输设施，以及化肥和化工厂。由于该传感器可以通过相对简单的解法制造，该技术适用于大面积制造和大规模生产。

最终可以发展成多种形式，包括便携式探测器、直接连接管道的传感器以及实时危险气体监测系统。该技术预计将促进目前高度依赖进口的高性能气体传感器的国内生产，同时降低维护和运营成本。这也可能增强韩国材料和传感器行业在快速增长的氢气和氨能源市场中的竞争力。

宋称：“这项研究的重要性不仅在于我们利用更环保、无铅的钙钛矿开发了一种高度灵敏的氨传感器，还因为我们在原子层面识别了其传感机制。”“我们预计该技术将广泛应用于氢气和氨基能源基础设施的安全管理，以及工业现场的危险气体监测。”

更多信息

金在浩等，基于锑的无铅钙钛矿薄膜，用于高灵敏氨（NH）3）气体探测，小型结构（2026年）。DOI：10.1002/sstr.70516

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