关键词：
丙酮气体传感器
ZIF-8衍生物
异质结构筑
贵金属限域
双层膜器件
深度学习算法
摘要：
在数字化转型的背景下,高精度和全方位的环境感知已成为现代信息科学的核心目标之一。气体传感器作为信息系统的核心部分,在环境和医疗等领域,对挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds,VOCs）的高效、精确监测发挥着至关重要的作用。丙酮作为一种典型的VOC,普遍存在于人类生活环境中,其对环境安全和人体健康的潜在威胁不容忽视。因此,高灵敏、高选择性和高稳定的丙酮气体传感器对于环境监测和医疗诊断等领域具有重要意义。金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor,MOS）气体传感器具有结构简单、易于小型化和集成化、适合在线监测等优点,成为气体传感领域的研究焦点。然而,MOS传感器在实际应用中仍面临诸多挑战,如丙酮的特异性响应低和稳定性差等问题。为解决上述问题,可从两个方面入手:一方面,通过优化敏感材料并设计器件结构,提升传感器对丙酮的特异性响应;另一方面,结合算法对传感信号进行智能分析,提升丙酮检测的准确性和可靠性。本文选择氧化锌（ZnO）作为基体材料,通过自模板法合成富含氧空位（Oxygen Vacancy,O）的金属有机框架（Metal Organic Framework,MOF）衍生多孔ZnO,从而改善敏感材料的反应活性位点,提高传感器的灵敏度;随后,通过界面工程、贵金属负载等策略,调控了敏感材料的能带结构、电学特性以及反应活性,进一步提升气体传感器的灵敏度与选择性。在敏感材料气敏特性提升的基础上,设计双层膜结构器件,通过构筑分子筛疏水层,能够有效提升传感器的抗湿度干扰能力及稳定性;再针对双层膜器件的传感信号,结合深度学习算法进一步实现了传感器对丙酮的特异性识别和气体信息预测,从而全面提升了丙酮气体传感器的选择性、灵敏度、抗湿性和稳定性。本论文主要研究内容如下:
一、通过n型MOS敏感材料对丙酮气敏特性的比较,确立ZnO作为丙酮检测的最佳基体材料;随后,采用自模板法,合成富含O的沸石咪唑酯骨架材料（Zeolitic Imidazolate Framework-8,ZIF-8）衍生ZnO敏感材料用于丙酮检测。该材料具有较大的比表面积、介孔结构以及丰富的O,能为气体分子提供丰富的反应活性位点。通过微纳结构调控,显著提升了ZnO敏感材料的丙酮气敏特性。此外,利用密度泛函理论（Density Functional Theory,DFT）计算,探究O的增感机制,即O能够作为反应活性位点,吸附和活化氧分子,产生更多的化学吸附氧,从而提升气敏特性,为制备MOF衍生具有丰富的O的高性能丙酮敏感材料提供了理论基础。
二、采用MOF衍生物的结构可调性,制备MOF衍生壳厚可控的InO@ZnO核壳复合敏感材料,通过构筑n-n异质结调控敏感材料的能带结构与电学特性,提升丙酮气体传感器的灵敏度与选择性。在褶皱结构InO微球表面沉积ZIF-8衍生ZnO,通过控制MOF生长时间,精确调控ZnO壳层厚度,实现ZnO中电子积累层的径向调制,从而对参与气敏反应的自由载流子浓度进行调控。且MOF衍生的ZnO壳层具有丰富的O,有利于敏感材料表面化学吸附氧的形成。与基于ZIF-8衍生ZnO传感器的灵敏度（8.7）相比,基于核壳结构InO@ZnO（ZnO壳层厚度:55.3 nm）的传感器在300℃下对100 ppm丙酮显示出高灵敏度（23.2）、较快的响应速度和较低检测下限（100 ppb）。此外,对InO和ZnO的固有催化活性进行探究,揭示了ZnO对丙酮气体的催化活性,并通过调控ZnO的壳厚,实现了InO@ZnO对丙酮选择性的提升。
三、采用MOF客体封装策略,将贵金属Pt纳米颗粒限域在MOF衍生的敏感材料中,在提升灵敏度的同时改善传感器的稳定性。首先,利用自组装硬模板法制备反蛋白石（Inverse Opal,IO）结构的IO-ZnO材料;其次,利用液相外延生长法在IO-ZnO表面生长ZIF-8衍生物（ZIF-8 Derivative,ZD）,并限域Pt纳米颗粒形成Pt@ZD,制得具有高催化活性与高稳定性的反蛋白石结构IO-Pt@ZD/ZnO敏感材料。反蛋白石结构具有良好的纳米骨架和气体扩散通道可促进气体分子的扩散,且其高孔隙率和较大的比表面积可提供丰富的反应活性位点,有助于改善气敏特性。其次,在MOF衍生物的孔道中限域Pt纳米颗粒,能够有效抑制高温下贵金属纳米颗粒的团聚,从而带来更高的催化活性和稳定性,赋予敏感材料更优越的载流子生成和转换能力,实现了传感器灵敏度和稳定性的同步提升。因此,基于IO-Pt@ZD/ZnO的传感器在275℃时对100 ppm丙酮表现出高灵敏度（36.4）,且具有优异的短期重复性和长期稳定性（循环130次,连续工作50天）。
四、为了满足实际应用需求,即高湿环境下的高稳定性、多组分气体环境中
