一、研究背景

近年来，随着物联网（IoT）和互联自动化技术的快速发展，传感器技术因其在确保精确监测和适应性信号传输方面的重要作用而备受瞩目。气体传感器是一类广泛用于检测和测量气体浓度的设备，在环境监测、工业安全、医疗诊断等领域发挥着至关重要的作用（图 1）。这些传感器通过感应气体中特定成分的变化产生电信号或其他输出信号，从而提供有关气体浓度、类型和相关细节的信息。下文将详细介绍气体传感器的基本工作原理以及从气体中产生分析信号的原理。制备具有良好选择性、高灵敏度、稳定性和快速响应/恢复时间的气体传感材料对于实际应用至关重要。虽然气体传感器的开发主要集中在提高灵敏度上，因为灵敏度对检测限有直接影响，但平衡灵敏度与选择性也至关重要，尤其是在混合气体环境中。传感器的选择性在实际应用中发挥着重要作用，不容忽视。在各种传感器技术中，SMO 气体传感器因其卓越的灵敏度、快速响应、低成本和出色的长期稳定性而脱颖而出，成为检测有毒气体和外来气体不可或缺的传感器。

图1.基于电纺丝技术的 SMO 气体传感器的广泛应用和制造：(a) 分层结构。(b) Perovskite 结构。(c) 核壳结构。(d，e）电纺丝。

过去几十年来，人们一直致力于通过设计敏感材料来提高气体敏感性，包括多孔结构、金属掺杂和异质结。鉴于 SMOs 的气体敏感机理与氧气密切相关，因此深入了解表面吸附和催化氧化过程至关重要。这种理解有助于揭示反应机理，从而促进新型气敏材料和掺杂策略的发展。SMO 的气敏机理基于氧吸附模型，该模型假定电阻的变化与氧的化学吸附有关。暴露在空气中时，氧分子会吸附到 SMO 表面，通过捕获导带电子形成化学吸附氧（O2-、O- 和 O2-）。这些氧物种的类型随工作温度和材料类型的不同而变化，对气体传感性能起着至关重要的作用。气体传感器的基本工作原理如图 2 所示。对于 n 型和 p 型 SMO 气体传感器，其工作原理取决于多数载流子的类型：n 型半导体中的电子和 p 型半导体中的空穴。n 型 SMO 气体传感器的传感机制说明如下。在空气中，氧气吸附在传感器表面，捕获电子并形成负离子，由于电子耗尽层较厚，电阻会增加。暴露在乙醇或氢气等还原性气体中会释放捕获的电子，使耗损层变薄，从而降低电阻，从而逆转这种效应。相反，二氧化氮等氧化性气体会进一步消耗电子，从而增强电阻。

图2.基于 n 型 SMO 和 p 型 SMO 的气体感应机制和传导模型的图解说明。版权 2023 年，MDPI。

在此，我们回顾了近年来基于电纺 SMO 的气体传感器的研究进展。我们将这一领域作为当前的研究重点，探讨了提高传感器灵敏度的有效策略。这些策略包括制备高比表面积和小晶粒尺寸的纳米材料，应用贵金属改性（如铂、钯、银、金和铑等），以及引入替代阳离子掺杂剂（如 Li+、Ca2+、Al3+、Co3+ 等）。综述还延伸到复合材料，对这些策略进行了全面的比较和分析。最后，我们讨论了面临的挑战和未来展望，旨在引导复杂多孔 SMO 材料的发展，从而为下一代高效气体传感器铺平道路。最后，我们提出了挑战和前景，以指导先进多孔 SMO 材料的合理设计。

二、摘要

电纺丝技术为半导体金属氧化物（SMO）气体传感器领域带来了革命性的变化，而半导体金属氧化物在气体检测中起着举足轻重的作用。半导体金属氧化物以其高灵敏度、快速响应和对各种气体的特殊选择性而著称。通过电纺丝技术合成的 SMO 具有无与伦比的优势。这些优势包括高孔隙率、大比表面积、可调形态和成分以及多样化的结构设计，从而提高了气体传感性能。本综述探讨了电纺丝制备的各种结构和组成的 SMO 在气体传感器中的应用。它重点介绍了增强气体传感性能的策略，如贵金属改性和掺杂过渡金属、稀土元素和金属阳离子，所有这些都有助于提高灵敏度和选择性。我们还探讨了用聚合物或碳纳米纤维制造复合 SMO，以应对高温操作的挑战。此外，本综述还讨论了分层结构和核壳结构的优势。此外，还探讨了尖晶石和过氧化物晶体结构的独特化学成分和晶体结构。这些结构有助于实现对特定气体的高灵敏度和选择性。这些方法强调了创新材料集成和结构设计在实现高性能气体传感器中的关键作用，并指出了这一领域未来的研究方向。

三、结论

在当前的环境监测和工业安全领域，通过静电纺丝设备制造的基于 SMO 的气体传感器因其卓越的灵敏度、选择性和操作稳定性而处于领先地位。电纺丝技术的应用开创了气体传感器设计的新纪元。这项技术使 SMO 具有高孔隙率、大表面积和可调节的形态，这些品质对于实现卓越的气体传感性能至关重要。本综述系统地探讨了基于 SMO 的气体传感器的演变和现状，重点介绍了在材料合成和功能化方面取得的重大进展。我们详细介绍了利用电纺丝方法设计各种有利于气体扩散的纳米结构和具有超高比表面积的 SMO。这些对于制备高性能气体传感器至关重要。此外，在 SMO 中引入添加剂是调整气体传感器灵敏度、选择性和稳定性的最常用方法。因此，我们对贵金属装饰以及过渡金属、碱金属和稀土元素掺杂等几种策略进行了深入探讨。我们还合理地解释了相关的化学和电子敏化机制以及不同结构的作用。最后，我们深入研究了复合材料的成分和结构对气体传感器性能的影响。在材料组成方面，我们主要关注金属氧化物与其他金属氧化物以及聚合物和碳纳米材料的复合材料。在结构上，我们特别讨论了核壳结构和分层结构、尖晶石结构和包晶石结构。此外，我们还回顾了它们在提高气体传感器的灵敏度、选择性和稳定性方面的独特优势。基于这些策略，相信未来会有许多用于各种目标气体的高性能多孔 SMO 气敏材料系统问世。利用电纺丝方法制备气体传感器已经取得了重大进展，过去几年中，人们广泛研究了电纺丝 SMO 纳米材料，以改善气体传感性能。然而，要实现广泛应用，仍需解决许多技术难题。特别是在设计气体传感器时，必须考虑传感器的稳定性和环境因素（如湿度）的影响。此外，降低能耗和工作温度对于这些传感器在实际应用中的广泛采用仍然至关重要。

图3.通过电纺丝生产纳米纤维的示意图

图4.通过电纺丝设计的各种形式的纳米材料：(a) 纳米纤维。 (b) 纳米线。 (c) 核壳纳米纤维。(d) 纳米片。(e) 空心纳米管。(f) 量子点。