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新型气敏材料：CO?与微量丙酮检测的突破与展望

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球环境问题日益严峻以及人们对健康关注度不断提高的大背景下，对环境和人体健康监测中关键气体的精准检测显得极为重要，二氧化碳（CO_2）和丙酮便是其中备受瞩目的两种气体。

CO_2作为主要的温室气体，其在大气中浓度的持续攀升是导致全球气候变暖的关键因素。据相关研究数据显示，自工业革命以来，大气中CO_2的浓度已从约280ppm上升至目前的超过410ppm，并且仍在以每年约2ppm的速度增长。这种增长趋势引发了一系列严重的环境问题，如冰川融化、海平面上升、极端气候事件频发等，严重威胁着地球生态系统的平衡和人类的可持续发展。同时，在室内环境中，CO_2浓度过高也会对人体健康产生负面影响，当室内CO_2浓度超过1000ppm时，人们可能会出现头痛、嗜睡、注意力不集中等症状，进而影响工作和学习效率。在工业生产领域，CO_2作为许多化学反应的原料或产物，其浓度的精确监测对于保障生产过程的安全与稳定、提高生产效率和产品质量至关重要。例如，在化工合成、食品饮料加工等行业，CO_2的浓度控制直接关系到生产的顺利进行和产品的品质。

丙酮是一种常见的挥发性有机化合物（VOCs），广泛应用于工业生产和日常生活中，如在涂料、胶粘剂、制药、塑料等行业中作为溶剂使用。然而，丙酮具有一定的毒性，长期暴露在高浓度丙酮环境中，会对人体的神经系统、呼吸系统和肝脏等造成损害，引发头晕、恶心、呕吐、乏力等不适症状，严重时甚至会危及生命。此外，丙酮还是糖尿病的重要诊断标志物之一。健康人体呼出气体中的丙酮浓度通常在0.3-1.0ppm范围内，而糖尿病患者呼出气体中的丙酮浓度会显著升高，可达5-20ppm，通过检测呼出气体中的丙酮浓度，能够为糖尿病的早期诊断和病情监测提供重要依据，有助于实现疾病的早发现、早治疗，提高患者的生活质量和健康水平。

当前，传统的气敏材料在检测CO_2和丙酮时存在诸多局限性。例如，常见的金属氧化物半导体气敏材料对CO_2的灵敏度较低，检测下限较高，难以满足对低浓度CO_2的精确检测需求；在检测丙酮时，存在选择性差的问题，容易受到其他气体的干扰，导致检测结果不准确，而且响应和恢复速度较慢，无法实现对丙酮的快速实时监测。因此，开发新型气敏材料迫在眉睫。新型气敏材料应具备高灵敏度，能够检测到极低浓度的目标气体，从而满足环境监测和生物医学检测等领域对微量气体检测的严格要求；具有高选择性，能够准确地区分目标气体与其他干扰气体，避免误判；拥有快速的响应和恢复速度，以便及时捕捉气体浓度的变化，为实际应用提供及时有效的数据支持；同时，还应具备良好的稳定性和可靠性，能够在不同的环境条件下长期稳定工作，确保检测结果的准确性和一致性。新型CO_2和丙酮气敏材料的成功开发，将为环境监测提供更为精准、高效的手段，有助于及时掌握环境中CO_2和丙酮的浓度变化，为环境保护政策的制定和执行提供科学依据，推动环境保护工作的深入开展。在医疗领域，能够实现对糖尿病等疾病的早期无创诊断和病情实时监测，为患者的治疗和康复提供有力支持，具有重大的科学意义和广阔的应用前景。

1.2研究现状综述

近年来，新型CO_2和丙酮气敏材料的研究取得了一定进展，众多科研团队从不同材料体系、制备方法以及气敏机理探究等方面展开深入探索。

在新型CO_2气敏材料方面，金属氧化物半导体是研究较早且较为广泛的体系。例如，传统的SnO_2基材料，有研究通过共沉淀法制备并研究其对CO_2的气敏性能，发现SnO_2在干空气环境下对CO_2吸附能力弱，但在潮湿环境下，表面的OH^-可与CO_2发生反应，形成(CO_3)^{2-}，从而实现对CO_2的气敏响应。不过，其灵敏度仍有待提高，且易受湿度等环境因素干扰。钙钛矿型氧化物也受到了关注，如LaCrO_3，通过溶胶凝胶法制备后，研究发现其在特定温度下对高浓度CO_2有一定响应，当工作温度高于550K时，最佳工作温度是360℃，在CO_2环境中，LaCrO_3的电阻减小，第一性原理计算表明CO_2分子通过C原子吸附在表面O原子上，同时CO_2中的两个O原子吸附在邻近的Cr原子上，从材料表面夺取电子。但该材料对低浓度CO_2的检测能力不足，响应的稳定性也需进一步优化。

在新型丙酮气敏材料领域，金属氧化物半导体同样是重要的研究方向。ZnO基材料通过溶胶凝胶法制备后，在500℃工作温度下对丙酮灵敏度可达60，但工作温度较高，不利于实际应用中的低功耗需求。SnO_2与碳纳米管的复合材料也有研究，如利用水热和溶胶凝胶技术制备的MWCNTs/SnO_2纳米复合材料，当MWCNTs的复合量为0.05wt％时，传感器在200℃的工作温度